TESIS: DISEÑO, OPERACIÓN Y PROTECCIÓN DE ...132.248.9.195/ppt2002/0326639/0326639.pdfTitle TESIS:...

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLAN

"DISEÑO, OPERACIÓN Y PROTECCIÓN DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES. ANÁLISIS DE SOBREVOLTAJES EN EL SISTEMA

ELÉCTRICO DE POTENCIA".

TRABAJO DE SEMINARIO

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE

INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA

p R E s E N T A

GIOVANll VALLE GARCÍA

ASESOR: lng. Ma. De la Luz González Quijano

CUAUTITLAN IZCALLI, EDO. DE MÉXICO 2003

A

TESIS CON FALLA DE ORIGEN

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FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLAN UNIDAD DE LA ADMINISTRACION ESCOLAR

DEPARTAMENTO DE EXAMENES PROFESIONALES

· . . :.

DR. .JUAN ANTONIO MONTARAZ CRESPO DIRECTOR DE LA FES CUAUTITLAN PRESENTE

U. N.A. M. fACUlllO DE UTUlllS .. .Jfi:'c:Oil.(S-CU•UTltLll

ü{PASU1Wt10 Dl lJ.<.lllEllES P~OFUIOUUS

ATN: Q. Ma. del Cannen c;.cfa Mi;.e. .Jefe del Departamenlo da~ Profesionales de la FES C.-.ütlán

Con base en el art. 51 del Reglamento de Exámenes Profesionales de la FE&-Cuautil'*1, nos permitimos comunicar a usted que revisamos el Trabajo da Seminario:

ºperarst5o " Prn+ecc1.So de 1 ne+a 1 ac 1 onas s; 14c*r'ce•

que presenta _.Ai..__ pasante; _ .... G .... •un,_..u.,e._.o._s.._..,u,.aul......_J .,p'--"G'"'e""r.._...cufue._ _____________ _

connúmerodecuenta: 2s1e512-2 para obtener el titulo de :

Considerando que dicho trabajo reúne los requisitos necesarios para ser discutido en el EXÁMEN PROFESIONAL correspondiente, otorgamos nuestro VISTO BUENO.

ATENTAMENTE MPOR MI RAZA HABLARA EL ESPIRITU" Cuautitlán lzcalli. Méx. a 14 de ogt¡yhrp

MODULO

M l.

Ipp

de~_,.2~n~g....,3.__ __ _


Las personas persistentes cosecharan frutos Las personas n1cdiocres cosecharan fracasos

Una persona culta es humilde y comparte sus conocimientos Una persona presuntuosa carece de conocin1icntos

El hombre inteligente analiza y actúa El hombre ignorante actúa sin razonar

A mis padres. por formar el pilar central de mi vida en base de •u educación • apoyo de toda fndole. e inteli~eneia ~· sabiduria para poder formarme sin desistir pese a los problemas, hostilidades, y depresiones cotidianas.

A mi Abuela, que en paz descanse Por aer una de las personas mas admirables,

alendo una fuente de Inspiración para seguir adelante y ser persistente , no olvidando la humildad

A mi As-or (a), lng. Ma. D• la Luz Gonúlez Quljano por tener el lnte,.s para encaminarme • I• 1Walizmción

y culmlnaclón de mi trabajo de lnv-tlgacl6n

A mis hermanos, por la sabfdurfa de sus consejo•

ANALISIS DE SOBREVOLTA.IES EN EL SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA

INDICE

Pág.

INTRODUCCIÓN..................................................................................... 1

C A P 1 T U L O 1 " ANTECEDENTES "

1.1. CENTRALES GENE.RADORAS....................................................... 3 1.1.1. CLASIFICACION DE LAS SUBESTACIONES ELECTRICAS...... 5 1.1.2. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA SUBESTACIÓN......... 5 1.2. RED DE UN SISTEMA ELECTRICO DE POTENCIA...................... 7 1.3. DEFINICIÓN DE UNA SUBESTACIÓN ............................................ 8 1.3.1. INTRODUCCIÓN............................................................................ 8 1.4. CLASIFICACION DE SUBESTACIONES........................................ 8 1.4.1. DEFINICIÓN................................................................................... 9 1.4.2. ELEMENTOS DE UNA SUBESTACIÓN........................................ 9

C A P 1 T U L O 11 "GENERACIÓN DE SOBREVOL TAJES"

2.1. INTRODUCCION............................................................................... 11 2.1.1. LA CARGA ELÉCTRICA................................................................ 11 2.2. SISTEMA DE SOBREVOL TAJE....................................................... 13 2.3. FERRORESONANCIA...................................................................... 14 2.4. CAPACITOR CONMUTADOR......................................................... 17 2.5. CORRIENTE DE INTERRUPCIÓN ......................................••...... :.... 21 2.6. NIVEL DE TENSIÓN......................................................................... 23 2.7. PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIÓN..................................... 24 2.8. DESCARGAS ADMOSFERICAS...................................................... 25 2.9. MANIOBRAS DE INTERRUPTORES............................................... 30

C A P 1 T U L O 111 "REQUERIMIENTOS DE AISLAMIENTO"

3.1. INTRODUCCIÓN .................................. ............................................ 35 3.2. AISLAMIENTO DE TRANSFORMADOR.......................................... 36 3.2.1. METODOS DE ENFRIAMIENTO ....... ............................................. 37 3.3. MATERIALES PARA AISLAMIENTOS.............................................. 41 3.3.1. MANEJO Y ALMACENAMIENTO DE LOS ACEITES AISLANTES. 42 3.4. NIVEL DE AISLAMIENTO................................................................... 43 3.4.1. COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO............................................. 43 3.4.2. TENSIÓN NOMINAL....................................................................... 45 3.5. NIVEL BASICO DE IMPULSO........................................................... 46 3.6. NORMAS DE AISLAMIENTO PARA LINEAS.................................... 50

CA P 1 TU LO IV "CARACTERISTICAS DE PARARRAYOS"

4.1. INTRODUCCIÓN............................................................................... 54 4.2. CUERNO DE ARQUEO..................................................................... 58 4.3. PARARRAYOS AUTOVALVULARES............................................... 59 4.4. FUNCIONAMIENTO DEL PARARRAYO.......................................... 61 4.5. PARARRAYO DE OXIDOMETALICO................................................ 63 4.6. CARACTERISTICAS DE PARARRAYO.......................................... 64 4.6.1. CARACTERISTICAS DE PROTECCIÓN DE LOS PARARRAYOS PARA 23KV................................................................... 66

4.6.2. CARACTERISTICAS DE PROTECCIÓN DE LOS PARARRAYOS PARA 230KV................................................................. 67

C A P 1 T U L O V "APLICACIONES"

5.1. PROBLEMAS . ........................................ .......................................... 68 5.1.1. LOCALIZACIÓN DEL PARARRAYOS............................................ 69 5.1.2. EJEMPLOS..................................................................................... 70 5.2. APLICACIONES DE LOS PARARRAYOS........................................ 76 5.2.1. REVISIÓN DE LA INSTALACIÓN.................................................. 77 5.3. DIAGRAMA DE PARARRAYOS........................................................ 78 5.4. NOVEDADES.................................................................................... 80 5.4.1. FUNCIONAMIENTO........................................................................ 82 5.5. NIVELES DE PROTECCIÓN............................................................. 83 5.5.1. TABLAS.......................................................................................... 84 5.6. CONCLUSIONES ..........................................................•.................. 86

BIBLIOGRAFIA.......................................................................................... 88

CAPITULO 1

"ANTECEDENTES"

INTRODUCCIÓN

El desarrollo de este trabajo tiene la finalidad, de conocer las causas que pueden

producirse por sobrevoltaje de diferente lndole asl como también conocer a groso

modo los elementos que conforman toda una red de potencia (SEP).

El objetivo de esta tesina es de saber los métodos de protección y analizar los

diferentes voltajes que puden causar daños severos en una instalación.

Esta tesina consta de cinco capitulas los cuales a continuación se mencionan

brevemente:

El primer capitulo nos menciona muy supeñicialmente. como esta constituido un

sistema eléctrico de potencia (SEP), posteriormente nos enuncia algunos

conceptos de los elementos mas básicos del sistema eléctrico de potencia

Tenemos diagramas unifilares y gráficos para que el interesado de cualquier

licenciatura pueda comprender dicho trabajo sin complicación alguna.

El segundo capitulo nos comenta los distintos tipos de sobrevoltaje (sobre

tensiones ) por lo que nos enriquece con análisis y también como se pueden

contrarrestar o simplemente proteger.

En este capitulo observamos desde cuando surge por diversos factores hasta su

protección.

En el tercer capitulo contiene los tipos de aislamiento de los elementos que se

consideran mas importantes. Desde su análisis hasta el tipo de materiales.

Podemos observar las graficas para poder seleccionar el tipo de aislamiento asl

2

como también los materiales más eficaces. se introdujo algunas ecuaciones

generales.

En el cuarto capitulo versa sobre los pararrayos es decir sobre los dispositivos de

protección contra sobrevoltaje

También nos explica detalladamente desde su construcción hasta un análisis

matemático para poderlo adaptarlo a nuestro sistema asi como análisis gráficos

de su colocación y tipos de materiales para diferentes equipos

El quinto y ultimo capitulo. que es de "aplicación" . comentamos como en

cualquier instalación donde se maneje mucho equipo de potencia(edificios,

industrias , plantas, etc) utilizamos un sistema de protección contra sobrevoltaje ya

sea el pararrayos por lo que se mencionan algunas aplicaciones.

También se muestras algunos tipos de equipos que pueden controlar los

sobrevoltaje con sus características.

Por ultimo terminamos con las conclusiones hechas por un servidor, culminando

con las fuentes donde se saco dicha información.

3

1.1.CENTRALES GENERADORAS

Algunas de las caracterlsticas técnicas (aislamiento, enfriamiento, etcétera), sus

voltajes de generación en las centrales generadoras son relativamente bajos en

relación con los voltajes de transmisión, por lo que si la energfa eléctrica se va a

transportar a grandes distancias estos voltajes de generación resultarfan

antieconómicos, debido a que se tendrfa gran calda de voltajes. De aquf se

presenta la necesidad de transmitir la energfa eléctrica a voltajes más elevados

que resulten más económicos. Por ejemplo, si se va a transmitir energia eléctrica

de una central generadora a un centro de consumo que está situado a 1,000 km

de distancia, será necesario elevar el voltaje de generación que supondremos de

13.8 kV a otro de transmisión más conveniente que asumimos sea de 115 kV,

como se muestra en fa fig. 1. 1

r'~G { CENTRO DE ~,__~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ CONSUMO

Central Generador

(13.8 kv)

fig.1.1

en este caso para poder elevar el voltaje de generación de 13.8 kV al de

transmisión de 115 kV es necesario emplear una subestación eléctrica "A": como

se muestra en la fig 1.1.a

100km

fig. 1.1.a

CENTRO DE

CONSUMO

4

Suponiendo que la calda de voltaje en la linea de transmisión fuera cero volts.

tendrlamos en el centro de consumo 115 kV. Es claro que este voltaje no es

posible emplearlo en instalaciones industriales y aún menos en comerciales y

residenciales, de donde se desprende la necesidad de reducir el voltaje de

transmisión de 115 kV a otro u otros más convenientes de distribución en centros

urbanos de consumo. Por tal razón, será necesario emplear otra subestación

eléctrica "B". como se muestra en la fig 1. 1 :b:

110kv

1000km

Fig.1.1.b

{

Centro

de

Consumo

De lo anteriormente expuesto, se puede inferir que existe una estrecha relación

entre las subestaciones eléctricas, lineas de transmisión y centrales generadoras.


5

1.1.1.CLASIFICACION DE LAS SUBESTACIONES ELECTRICAS

En este caso es difícil hacer una clasificación de la subestación eléctricas , pero

de acuerdo con lo anterior mencionado se pueden clasificar de la manera

siguiente: generación -transmisión-distribución y utilización de la energia eléctrica.

1.1.2.ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA SUBESTACIÓN

A continuación hacemos una mención de los elementos mas importantes. Los

elementos que constituyen una subestación se pueden clasificar en elementos

principales o primarios y elementos secundarios:

ELEMENTOS PRINCIPALES O PRIMARIOS

1.-transformador

2.-interruptor de potencia

3.-restaurador

4.-cuchillas fusible

5.-cuchilla desconectadora y cuchilla de prueba

6.- apartarrayos

7.-tablero dúplex de control

8.- condensadores

9.-transformadores de instrumento

ELEMENTOS SECUNDARIOS

1 .-cables de potencia

2.- cables de control

3.- alumbrado

4.- estructura

5.- herrajes

6.- equipo contra incendio

7.- equipo de filtrado de aceite

8.- sistema de tierras

9.-carrier

10.- intercomunicación

11.- trincheras,ductos,conducto,drenaje

12.- cercas

6

1.2.RED DE SISTEMA ELECTRICO DE POTENCIA

LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

P••MA•7• >•·• • "º •_v_.'l!!!!:=10..--'"t:!:::;!!,.J!&

RESIDENCIAL

GENERACIÓN - TRANSMISIÓN - DISTRIBUCIÓN y UTILIZACIÓN DE LA ENERGIA ELECTRICA

Según lo expuesto en el tema anterior tenemos qué. los generadores de la

central eléctrica suministran voltajes de 26.000 voltios; ya que voltajes

superiores no son adecuados por las dificultades que presenta su aislamiento y

por el riesgo de cortocircuitos y sus consecuencias. Este voltaje se eleva

mediante transformadores a tensiones entre 138.000 y 765.000 voltios para la

linea de transporte primaria (cuanto más alta es la tensión en la linea, menor es

la corriente y menores son las pérdidas, ya que éstas son proporcionales al

cuadrado de la intensidad de corriente). En la subestación, el voltaje se

transforma en tensiones entre 69.000 y 138.000 voltios para que sea posible

transferir la electricidad al sistema de distribución. La tensión se baja de nuevo

TESIS CON FALLA DE OHIGEN

7

8

con transformadores en cada punto de distribución. La industria pesada suele

trabajar a 33.000 voltios (33 kilovoltios), y los trenes eléctricos requieren de 15 a

25 kilovoltios. Para su suministro a los consumidores se baja más la tensión: la

industria suele trabajar a tensiones entre 380 y 415 voltios, y las viviendas

reciben entre 220 y 240 voltios en algunos paises y entre 110 y 125 en otros.

Por lo que el desarrollo actual de los rectificadores de estado sólido para alta

tensión hace posible una conversión económica de alta tensión de corriente

alterna a alta tensión de corriente continua para la distribución de electricidad .

Esto evita las pérdidas inductivas y capacitivas que se producen en ta

transmisión de corriente alterna.

1.3.DEFINICIÓN DE UNA SUBESTACIÓN

1.3.1 INTRODUCCION

Ya sea para fines industriales, comerciales o de uso residencial, la energia

eléctrica interviene en una gran cantidad de máquinas y equipo eléctrico. Un

conjunto de equipo eléctrico utilizado para un fin determinado se le conoce como

el nombre de "subestación eléctrica".

1.4.CLASIFICACION DE SUBESTACIONES

Por tal motivo es importante definir y clasificar las subestaciones. Como se ha

visto con anterioridad, una subestación eléctrica no es más que una de las partes

que intervienen en el proceso de generación-consumo de energla eléctrica, por lo

cual podemos dar la siguiente definición:

9

1.4.1.DEFINICIÓN

Una subestación eléctrica es un conjunto de elementos o dispositivos que nos

permiten cambiar las características de energía eléctrica (voltaje. corriente,

frecuencia, etcétera). tipo C.A. a e.e., o bien. conservarle dentro de ciertas

caracteristicas.

1.4.2.ELEMENTOS DE UNA SUBESTACIÓN

Algunos de los elementos que constituyen una subestación se clasifican de la

siguiente forma:

ELEMENTOS PRINCIPALES O PRIMARIOS:

1. transformador

2. interruptor de potencia

3. restaurador

4. cuchillas fusible

5. cuchillas desconectadoras y cuchillas de prueba

6. apartarrayos

7. tablero dúplex de control

8. condensadores

9. transformadores de instrumento

ELEMENTOS SECUNDARIOS

1. cables de potencia

2. cables de control

3. alumbrado

4. estructura

5. herrajes

6. equipo contra incendio

7. equipo de filtrado de aceite

a. sistema de tierras

9. carrier

1 O. intercomunicación

11. trincheras, duetos , conducto, drenajes

12.cercas

10

CAPITULO 11

" GENERACIÓN DE SOBREVOL TAJES "

11 - •

2.1.INTROOUCCIÓN

Podemos definir "rayo" como descarga eléctrica que se produce entre nubes o

entre una de estas nubes y la tierra . La descarga es visible con trayectorias

sinuosas y de ramificaciones irregulares. a veces de muchos kilómetros de

distancia, fenómeno conocido con el nombre de relámpago. Se produce también

una onda sonora llamada trueno.

2.1.1LA CARGA ELÉCTRICA.

No se conoce por completo el modo en el que se cargan las nubes de

electricidad, pero la mayorla tienen carga negativa en la base y positiva en la

cima. Las distintas hipótesis que explican cómo se produce esta polarización

pueden dividirse en dos categorlas: las que requieren hielo y las que no. Muchos

meteorólogos creen que el hielo es un factor necesario porque los rayos no

suelen observarse hasta la formación de hielo en fas capas superiores de las

nubes. Ciertos experimentos han mostrado que cuando las disoluciones de agua

se congelan, el hielo gana carga negativa mientras que el agua queda cargada

positivamente. Si después del inicio de la solidificación el aire en ascensión

arranca pequeñas gotas de agua de las particulas congeladas, estas gotitas se

concentrarán en la parte superior de la nube, y el hielo, en agregados más

grandes, descenderá hasta la base. Por otra parte, ciertos experimentos han

mostrado que las gotas de agua grandes, con calda rápida, se negativizan,

mientras que las gotas pequeñas que caen con mayor lentitud se vuelven

electropositivas. Por tanto, la polarización de una nube es probable que se

12

produzca por las distintas velocidades de calda de las gotas grandes y

pequenas. Como quiera que se forme, la carga negativa en la base de la nube

induce otra positiva en fa tierra situada debajo que actúa como la segunda placa

de un condensador gigante. Cuando el potencial eléctrico entre dos nubes o

entre una nube y la tierra alcanza una magnitud suficiente (unos 10.000 V por

cm), el aire se ioniza a lo largo de una trayectoria estrecha, y se produce el

destello de un relámpago. Muchos meteorólogos creen que esta es la forma en

la que la carga negativa es transportada hacia el suelo y que as! se mantiene la

carga negativa total de la superficie de la Tierra.

Una nueva teoría sugiere que la polarización eléctrica de las nubes puede ser la

causa de la precipitación y no una consecuencia de ella; asimismo postula que el

potencial eléctrico existente entre la ionosfera capa superior de la atmósfera y la

tierra induce la polarización. Según esta teoria. el flujo ascendente de aire

caliente a través de una nube lleva consigo particulas con carga positiva que se

acumulan en la cima de la nube y que atraen cargas negativas de la ionosfera.

Estas son conducidas hacia la base de la nube por corrientes descendentes

poderosas en la periferia de la nube; as! se evita que las cargas opuestas se

neutralicen unas con otras. Quizás el 90% de todos los rayos que van desde las

nubes hasta el suelo son negativos; el resto son destellos positivos. Con menor

frecuencia se pueden producir rayos desde la tierra hacia las nubes, en

particular desde cumbres de montanas o desde objetos altos como las antenas

de radio. Con cámaras de alta vel.:icidad han mostrado que la mayorfa de los

destellos de rayos son sucesos múltiples compuestos de hasta 42 'rayos'

13

principales, cada uno de los cuales están precedidas por un rayo guia. Todos

siguen una trayectoria ionizada inicial que puede ramificarse junto al flujo de

corriente. El intervalo medio entre rayos sucesivos es de 0,02 s. y 0,25 s .

Puesto que la duración de un rayo no supera los 0,0002 s. los lapsos entre rayos

ocupan la mayor parte de la duración en un 'destello'. Los llamados rayos en

láminas son sólo la reflexión de uno ordinario en las nubes. Los rayos en bola

son un fenómeno raro en que la descarga toma la forma de una bola luminosa y

lenta que a veces estalla y otras simplemente decae.

2.2.EL SISTEMA DE SOBREVOL TA.JE

Existen varias causas de sobrevoltaje que deben ser analizadas, por ejemplo

cuando tenemos un sobrevoltaje y este es captado por un supresor (pararrayos), o

voltaje por los rayos, desplazamiento del neutro durante las fallas de linea-a-tierra

y corriente que limitan el funcionamiento del fusible, estas son algunas fallas que

pueden ser ocasionadas por sobrevoltaje. A continuación se presentan

sobrevoltajes causados por el rayo:

a) Ferroresonancia

b) Capacitares conmutadores

c) Interrupción de la corriente (interruptores en estado activo o desactivo)

d )Contactos accidentales con los Sistemas de altos voltajes.

14

2.3.FERRORESONANCIA

Tenemos una forma particular de causa por sobrevoltaje. En los circuitos

trifásicos, cada fase conmuta (cambia) , el fusible, o un conductor roto puede

resultar en sobrevoltaje es cuando ta ferroresonancia actúa entre la impedancia.

magnetizando el transformador y el sistema de capacitancia, aislándolo fase por

fase.

Podemos observar la función del circuito. teniendo en cuenta que la

Ferroresonancia sea buena. Básicamente las condiciones necesarias deben ser

cuando una o dos fases abren, el resultado es que la capacitancia empieza a

energizar en serie con la impedancia no lineal, está se magnetiza para el

transformador, como se muestra en la Figura 2.3a. dónde los conmutadores

pudieran estar con los interruptores del fusible. En un polo del cable, la

cDpacitancia podría ser de la longitud del cable, que conectado bajo tierra con la

bobina montada a una zona metalizada semiconductora del transformador.

La ferroresonancia no puede ser completamente evitada. Condiciones que son

probables de producir la ferroresonancia son las siguientes::

-El valor nominal del transfonnador pequeño; el valor nominal más pequeño es

más susceptible de la ferroresonancia. Los valores nominales de los devanados

que son mayores que 300 kVA son menos susceptibles.

Sistema

Dela

Fuente

Aterrizada

Interruptor 1 polo

Tle,,..

-Linea a llerra del c.pacitor

Impedancia magnettc. del transformador no lineal

fig. 2.3a circuito monofásico conmutado por 3 fases

-Cargas; una carga tan pequena como 4o/o estaría ~rea de la inmunidad.

15

-Cualquier conexión trifásica es susceptible. Un transformador monofásico

conectado de fase-a-fase en un sistema primario conectado con tierra es

susceptible.

- En la alimentación primaria por los cables del subsuelo. El blindaje de los cables

aumenta capacitancia y susceptibilidad. Los primeros cables de arriba

generalmente proporcionan la inmunidad a menos que el voltaje sea superior que

15 kV. En 34.5 kV la ferroresonancia está definitivamente después del

alimentador. La capacitancia interior de transformador es suficiente para la

resonancia .

. - El voltaje primario mayor 5kV. Los voltajes debajo de 5kV proporcionan que no

exista de forma considerable. Menores 15 kV, la ferroresonancia es muy probable

que exista. Las opiniones difieren en la susceptibilidad del rango de 5 a 15 kV


16

pero está existe de forma considerable. Capacitares secundarios con neutro

flotante, incluso en conexión estrella aterrizada -estrella aterrizada esta latente la

ferroresonancia.

Si una fase del primario es energizada puede inducir magnéticamente y energizar

por medio de la reactancia a las demás fases dando como resultado el efecto de

capacitancia y asi causa la resonancia. En la actualidad, el método más práctico

de evitar la ferroresonancia consiste en la conexión de estrella -estrella (Y-Y)

conectado los transformadores con los primarios del transformador y los

secundarios a el neutro. conectados con tierra y conecta al sistema el neutro del

primario. El neutro del primario debe de ir aterrizado (Y) "cortocircuitado" con la

conexión en serie de la reactancia del transformador y capacitancia del cable,

previniendo lo establecido de un circuito resonante. Otras técnicas para eliminar

son las siguientes:

Deben conectarse los transformadores monofásicos ( linea-a-neutro).

La ferroresonancia también puede minimizarse por una instalación trifásica

que cambien sus estados (abrir o cerrar) y proteger los dispositivos para

que no exista desfasamiento y no pueda ocurrir está. Esto no puede ser

posible en muchos casos y no puede ser completamente eficaz, pero es un

modo para prevenirlo mejor.

La ferroresonancia puede ser prevenida si los cables y transformadores

nunca maniobran (abren o cierran) juntos. Para lograr esto, los interruptores

del transformador necesitan ser localizados en las terminales del

transformador es decir en los polos elevadores Si también se requieren que

cambie de estado el polo elevador, bloqueado es recomendable

asegurarse al energizar que los demás polos de las fases elevadoras están

17

primero cerradas, y entonces todos los interruptores primarios del transformador

estarán cerrados.

Para poder desenergizan a todas las fases deben abrirse primero al transformador

antes de abrir al polo elevador. La regla por la cual nunca cambia el primario del

cable y la alimentación del transformador, esto se aplica a los fusibles y otros

dispositivos protección. Se requiere que los fusibles, relevadores o seccionadores

al elevar el polo, el alimentador de la distribución se coordina a mantener dentro,

en la falla del transformador, asi el primario del transformador estará protegido.

Por supuesto, que el cable primario de la falla se adaptarla un fusible al primer

polo elevador, pero tal falla es más probable en poner en cortocircuito fuera de la

capacitancia con la sección del cable conectada al transformador, y así prevenga

la resonancia.

Si una conexión es susceptible debe usarse el método mencionado, y si el cable

primario es largo y debe maniobrar con el transformador 6 las 3-fase cambien de

estado la protección no seria posible, entonces coloque al sistema un banco de

capacitares en el secundario del transformador conectados a tierra neutro para por

lo menos tenerlo con 5°/o cargado en el transformador.

2.4.CONMUTACIÓN POR CAPACITOR

Una segunda causa de sobrevoltaje es la del banco de conmutación(cambio de

estado) por capacitar y ocurre en el momento que se energiza o se des-energiza.

Por ejemplo, considere el siguiente capacitar de neutro aterrizado y energizado

como se muestra en la Figura 2.4a

18

Interruptor

fuente

c.______,~ capacitar

fig, 2.4a capacitar energizado

. Si las condiciones lroiciales (pre-cerrando) es tal que el banco de capacitar no

tiene carga (no hay voltaje) y el voltaje del sistema al contacto del cierre está en

un máximo, el voltaje se dispara como se muestra en la Figura 2.4b.

•Voltaje del sistema

., Vottaje del capacitar

Tiempo T

fig. 2.4b el voltaje del capacitar mientras esta cargado

La desenergización de un banco de capacitares es incluso una mayor

preocupación. Pasando a la representación del sistema en Figura 2.4c, pero

mostrando la apertura del interruptor ahora, nosotros a veces creamos las

condiciones llamadas" la amplificación de voltaje".


19

Interruptor

fu en le capacHor

·Fig. 2.4c capacitar desenergizado

"'::

Asuma que ese R y XL son muy pequenos comparado a la reactancia capacitiva

para que el voltaje del capacitar esté en estado estable debe ser igual que el

voltaje de ia fuente. Si se asume que el interruptor ha abierto en algún momento

poco antes del tiempo "O",entonces la corriente de interrupción tomarla el lugar

"normal" estará en cero con un tiempo O "a" .sobrevoHaje debido a la

desenergización

Suponiendo el estado- estable 60 Hz corriente en adelantó con respecto al

voltaje de la fuente por 90 grados, para que la fuente (del capacitar) alcance su

valor máximo de voltaje en el tiempo "a." El resultado de interrupción es que el

TESIS CON FALI..A DE ORIGEN

20

voltaje del capacitar permanece al valor de la cresta debido a la carga qué se

encuentra "atrapada" en él. Sin embargo, el voltaje de la fuente continúa su

frecuencia de 60Hz de variación, y el voltaje que gradualmente aparece por el

interruptor es la diferencia entre el voltaje del capacitar fijo en un lado y el voltaje

de la fuente en el otro. El voltaje del interruptor alcanza un máximo de dos veces

el valor normal en el tiempo" e", en el medio ciclo la interrupción sigue.

Si el interruptor puede resistir el voltaje normal dos veces en este momento, la

interrupción ha sido un éxito y se ha logrado. Debido a las resistencias de

descarga, normalmente construidas en los capacitares, el voltaje del capacitar sé

drenaría fuera, finalmente desaparece. Sin embargo, si el interruptor no logra la

recuperación dieléctrica adecuada, el arco puede reencender o "restablecer"' entre

los contactos algunas veces el periodo dura de "a" a .. e", sé reenergizaria al

capacitar. Los máximos voltajes transitorios aparecerfan si se restablece de la

siguiente manera, toma el lugar el voltaje máximo del interruptor, tiempo ''c."

cuando la corriente se restablece en este momento, el "oltaje del capacitar que

está a más 1.0 intentando por juntar el voltaje del sistema a menos 1.0 ó" h".

Debe viajar 2.0 para alcanzar el valor" h", y asl puede alcanzar el sobre disparo

en el punto "h" por 2.0. Entonces el voltaje resultante "f " es 3.0 tiempo normal.

Desde la corriente del capacitar también sufre una oscilación de frecuencia

natural, es teóricamente posible que una" frecuencia natural", el cero de la

corriente pueda ocurrir después del tiempo "c." Una segunda interrupción podría

dejar atrapada una carga en el capacitar con el voltaje "f' negativo 3.0 por

unidad. Como el voltaje del sistema otra vez los balancea a más de 1.0, un voltaje

máximo del interruptor de 4.0 podría resultar, y restableciendo en un tiempo "g"

darla 4.0 + 1.0 = 5.0 voltaje tiempo normal, etc., Sin embargo, comprendiendo esta

naturaleza es raramente, si en la vida se haya encontrado dicho fenómeno. Los

modernos interruptores generalmente no hacen la función de restablecer más de

21

una vez durante el borrado, Voltajes que se aproximan 3 tiempos normales sólo

ocurrirán si el restablecimiento ocurre en el peor momento posible. Los voltajes en

el orden de 2.5 tiempo normal son más tlpicos de medidas estándares.

2.5.INTERRUPCION DE LA CORRIENTE (INTERRUPTORES)

Debido a que la mayoria de las corrientes de falla interrumpen los dispositivos,

como los fusibles de expulsión, relevadores, los cortacircuitos, etc., logrando que

el arco desaparezca para 60 hz con una corriente cero. produciendo transitorios

de esta manera dos veces normales o menos. Es posible bajo algunas

condiciones como corriente que limita funcionamiento del fusible o la apertura de

interruptores de corrientes bajas dónde la interrupción de la corriente actual ocurre

antes del cero de corriente normal. Este es llamado " interrupción de corriente"

puede causar voltajes altos que dependen del rango de corriente de interrupción,

la cantidad de corriente interrumpida y la configuración del sistema.

Analizaremos la corriente interrupción abrupta asumiendo que la corriente se

obliga a poner a cero en algún valor finito instantáneamente. Si esta corriente está

fluyendo en una inductancia. no puede cambiar instantáneamente. pero si esta

pasa por la capacitancia y/o resistencia asociadas con la inductancia • cambia

instantáneamente, el voltaje del arco es abandonado. Considere el circuito de

Figura 2.Sa donde se ignora la resistencia y se asume que la reactancia

capacitiva es más grande que la reactancia inductiva y que su corriente normal es

despreciablemente, la ruptura comparada a i (i, e. Wn =1/ ..J LC es muy grande)

22

S -interruptor

L

Fuente infinita

Figure 2.5a. Circuito que Ilustra la corriente interrumpida

Cuando el interruptor actual de repente cambia de un valor i para poner a cero,

continúa fluyendo instantáneamente en L; por consiguiente. también debe fluir en

C. Una oscilación de frecuencia natural sucede en L y C. El voltaje de frecuencia

natural máximo que aparece por L (y C) es:

E=.../UC

Asi, el voltaje es proporcional a la magnitud de corriente interrumpida y aumenta

la impedancia del circuito siendo cambiado. Esta ecuación puede modificarse

como sigue para expresar el voltaje transitorio de una manera diferente

E =.../UC i = .../ wL/wC i= .../ xL * xC I= xL .../ xC/xL i

Si XU es el voltaje normal. o alguna medida del voltaje normal por la inductancia,

entonces el voltaje transitorio, e, es muchas veces normales por la relación w,.lw .

Teóricamente, entonces, interrumpiéndose la corriente pueden producir los

voltajes muy altos. En la práctica, sin embargo, L es a menudo no lineal que

magnetiza la impedancia de un transformador. Las caracteristicas magnéticas de

transformadores modernos acopladas con la actuación del interruptor lipica

normalmente no dan lugar a los voltajes más de 2 veces del él normal.

TE.SIS co~~ f ALLA DE ORIGEN

23

Contactos accidentales con los Sistemas de Altos Voltaje

Debido a las causas de sobrevoltaje son variables tenemos que cuando se

construyen los circuitos primarios de distribución y posteriormente los circuitos de

alto voltaje en un mismo polo, rompiendo el alto-voltaje de los conductores y

pudiendo caer en él más bajo voltaje del circuito primario, posiblemente causando

él más bajo rango, dando como resultado el fallar a lo largo de la linea entera u

otro daño de equipo mayor.

2.6.NIVELES DE TENSIÓN

Debido a las causas de los sobrevoltaje tomaremos en cuenta los criterios

expuestos en la tabla 2.6a para poder considerar los niveles de tensión En el área

de 230kv,el nivel básico de impulso a 2300 m.s.n.m .• es de 900kv y utilizando los

valores de la tabla 2.6b se obtiene que la separación mlnima entre los buses

flexibles (cable), que se van utilizaren este caso, para la tensión nominal de 230kv,

es de 4.50 metros entre centros de buses y de 4.00 metros del centro de bus a

los ejes de las columnas de las estructuras. Esto origina que la distancia entre

ejes de columnas de un módulo de transformación sea de 17 metros

Tensión nominal del

sistema kv

23

85

230

400

rlg. 2.6a distanaa de seguridad

Nivel de

alslamkanto

Al Impulso a

2,300m

Kv

125

450

900

1425

.<.Onas de circu aciOn

del personal

Distancia

adicional Attura mlnlma de partes

vivas m

2.25 3.00

2.25 3.43

2.25 4.76

2.25 6.01

Zonas de trabajo del

Personal

Distancia Distancia Otstancta

Adicional Mlnim.m Mini~

Horizontal Vertical

M

1.75 3.00 3.00

1.75 3.00 3.00

1.75 4.26 3.76

1.75 5.51 5.01

2 3 4 5

Distancia Distancia Distancia

Tens~n Nivel de Mínirña . Ml~l,;.ade; ,·ºMlnlma Nominal .. lslamlenÍo de',.·

FaSé a tle°rra ·• Entre'·,

del AllmpUrso a no flameo e V•.,":: ;:.~ fases,, · ··

sistema 2,300m a2,300m kv Kv cm

2,3DOm ·~.2,3ooin

> cm :.: .. '.cm

23 125 25.6 28.2 32.5

85 450 107 117.7 135.4

230 900 227.9 250.7 288.4

400 1425 354.6 375.9 432.3

Fig.2.6b distancia a tierra y entre fases a traves del aire a 2,300 m de altitud

Columna 1 valores CEI corregidos para 2,300 m de altitud

Columna 4: valores de la columna 3 x 1.10 para V< 380 kv

valores de la columna 3 x 1.06 para V > 380 kv

Columna 5 valores de la columna 4 x 1.15

2.7 .PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES

6 . Distancia

N~rma1 entre centro de .

buses

Rlgldos

.cm

50

200

360

650

24

Distancia

Normal entre centros

de

Buses no rlgldos cm

100

250

450 500

Para poder diseñar una subestación es necesario protegerla de los tres tipos mas

comunes de Sobretensiones que se-pueden presentar.

l. .Sobretensiones debidas a descargas atmosféricas.

2. Sobretensiones debidas a maniobras de interruptores.

3. Sobretensiones debidas a desequilibrios en el sistema, provocadas por fallas a

tierra o por pérdida súbita de carga.

De acuerdo a estos tres casos, los dos primeros son los más importantes. Para el

equipo que trabaja a tensiones inferiores a 230 kV, las Sobretensiones que lo

TESIS CQf,T FALLA DE ORIGEN

25

afectan más son las provocadas por las descargas ; externas, que tienen una

duración del orden de decenas de microsegundos. Para el equipo que trabaja a

tensiones, superiores a 230 kV, las Sobretensiones más peligrosas son las

ocasionadas por maniobras de interruptores, que tienen una duración del orden de

miles de microsegundos y su magnitud es una función de la tensión nominal.

2.8.DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.

Debido a que las cargas eléctricas en la atmósfera se producen por la fricción

entre partículas de vapor de agua; cristales de hielo y granizo, en presencia de

dos factores: aire húmedo y la incidencia de alta energia solar en la zona. en la

inteligencia de que si existe sólo uno de estos elementos, no ocurre ninguna

descarga. Este fenómeno se observa en los desiertos, donde no hay humedad o

en las zonas costeras con poca incidencia solar. Las cargas se originan dentro de

las nubes del tipo "cú1nulo" con una gran energla térmica en su interior. Que

provocan corrientes ascendentes, las cuales arrastran los cristales de hielo ligeros

que en su ascenso chocan con las partículas pesadas de granizo que descienden

a gran velocidad. Esto origina que los cristales de hielo desprendan electrones,

provocando que la parte superior de la nube se cargue positivamente (cristales de

hielo con falta de electrones) y la parte inferior se cargue negativamente La región

negativa, parte inferior de la nube, produce por efecto capacitivo que la superficie

terrestre: incluyendo líneas aéreas, buses, etc., que se encuentran debajo de la

nube se carguen positivamente

Cuando el gradiente de tensión entre la nube y tierra supera la rigidez dieléctrica

del aire, que es de unos 10 kV /cm, se produce la descarga eléctrica de la parte

negativa de la nube a tierra con una velocidad aproximada de 1/6 de la de la luz.

26

La duración de una descarga es del orden 0.1 microsegundos. Su energla varia

entre 10 y 100 kW-hr.

Entre 60 y 90% de las descargas son electronegativa, es decir, surge de la parte

inferior de la nube. Entre 1 O y 40% son descargas electropositivas, surgen de la

parte superior de la nube. La descarga principal (1a.) Tiene varios puntos de

inflexión, en algunos de los cuales se origina descargas secundarias, y a veces en

los puntos de inflexión de las secundarias se originan terciarias. dependiendo de la

energla del rayo. El diámetro del núcleo de plasma de un rayo es de unos 2cm. La

trayectoria de los rayos es determinada por las condiciones de! aire y la

configuración del campo eléctrico del terreno en la zona. El rayo, que se dirige de

nube a tierra, al tocar tierra provoca un flujo de corriente del orden de 1/10 de la

velocidad de la luz y de una magnitud que varia entre 1y 200 ka. Los rayo que van

de tierra a nube suelen tener magnitudes que varlan entre 100 y 1000 A. Como

muestra la fig 2.Sa

Zona positiva

Zona neutra

Zona negativa

Tierra

3a acairga de nube • Uerr. (1 •)

++++++++++++ Fig. 2.Sa descargas atmosféricas


27

Los rayos de la parte (-) de una nube que se dirigen a la tierra (+) ocurren en

forma simultánea con los rayos que se dirigen de tierra (+) a las nubes (-),

conectándose en ambos sentidos la región (-) de la nube con la zona (+) de la

tierra. De manera que cuando ambas descargas. ascendentes y descendentes se

encuentran. Se produce el rayo en ambos sentidos. En ese instante se

sobrecalienta Violentamente el aire adyacente al rayo, generando una serie de

ondas de presión (impulsos de presión) perpendiculares al eje del rayo. Al

conjunto de ondas de presión originadas por un rayo se llama trueno.

Observamos que en la descarga de un rayo se producen hasta 40 descargas

múltiples, siendo lo normal un conjunto de tres descargas por rayo. Las descargas

entre zonas de diferentes polaridades. dentro de una nube. se observan desde

tierra como relámpagos. La energia electromagnética de un rayo se transforma en

luz (relámpago), sonido (trueno), ondas de radio frecuencia y calor. Este calor

origina temperaturas de hasta 30.000ºC que se producen en el centro del canal de

descarga del rayo (plasma) en un lapso de millonésimas de segundo.

Definimos algunos términos relacionados con los fenómenos que se originan al

producirse una descarga eléctrica:

Rayo. Energla electromagnética que provoca la descarga producida al

neutralizarse Ja acumulación de

descargas eléctricas de signos contrarios, que se forman dentro de una nube de

ésta a tierra.

Relámpago. Efecto óptico producido por la ionización del aire al paso de la

descarga de un rayo, que se desplaza con la velocidad de la luz.

28

Trueno. Efecto acústico producido por la compresión del aire adyacente a la

descarga de un rayo, que se desplaza con una velocidad de 300 mis y que llega a

producir una temperatura en el punto de contacto con el aire de 10.000ºC,

aproximadamente.

Los blancos más directos de los rayos son los árboles o salientes del terreno. En

terrenos planos y sin .árboles (campos deportivos) o donde hay espejos de agua

como son los rios, lagos. piscinas, etc., los rayos caen en el pasto o en el agua. Al

caer los rayos en el pasto producen supeñicies quemadas, en forma más o menos

radial. Que siguen los caminos de menor resistencia, de acuerdo con la repartición

de las impedancias del terreno citado, como se observa en la figura 2.8b. Las

tensiones generadas en lineas o cables por descargas atmosféricas se calculan

con la fórmula: V= Zo 1 I 2

Guias de baja resistencia

Fig 2.8b descarga en un campo de hierba

Donde:

V-kv

1 - corriente de rayo en ka TESIS CON FALLA DE ORIGEN

Z., - impedancia caracterlstica en ohms

Detallando:

Zo= ..fue

Donde:

P•~"~~ {

L = 2 (Y.+ Ln2h/r)x 10-4 H/km

C= 10..,/(18Ln2h/r) F/km

L=2(Y.+LnR/r)x 10-4 H/km

C = k 10.., I ( 18 Ln R/r)

h altura sobre el suelo (m) r radio del conductor (m)

R radio externo del conductor (m)

r radio externo del conductor (m)

k constante dieléctrica del aislamiento del cable

En lineas Za varia entre 200 y 500

En cables Za varia entre 40 y 70

F/km

29

30

Ejemplo:

Suponiendo una linea con Zo = 200 y considerando un rayo de 30 ka, la sobre

tensión a tierra será:

V= (200x30 ) /2=3 000 kV 2

Nivel ceráunico. Es el número de descargas, incluyendo hasta las no visibles, que

se producen en una región geográfica por kilómetro cuadrado y por año. El nivel

ceráunico se mide a través de un detector de rayos. Uniendo todos los puntos de

igual nivel ceráunico se obtienen las curvas isoceráunicas de una región ó pafs.

Las curvas isoceráunicas se utilizan en el diseño de los sistemas de protección

contra sobretensiones, dentro de los proyectos de subestaciones, lineas y plantas

generadoras. De las ondas causadas por rayos, sólo llegan a la subestación

aquellas cuya magnitud es inferior al nivel de aislamiento de la linea y que, por

tanto. no alcanzan a contornear los aisladores de Ja instalación. Estas ondas

pueden ser de polaridad positiva o negativa, predominando estas últimas.

2.9.MANIOBRAS DE INTERRUPTORES

De las ondas causadas por operación de interruptores, las sobretensiones más

elevadas se obtienen al efectuarse la apertura de lineas largas o cables de

potencia en vaclo, apertura de corrientes de excitación de transformadores o

reactancias y, sobre todo, cuando se efectúan recierres en IJneas que hubieran

quedado cargadas a una tensión elevada, al producirse la desconexión inicial. Los

31

elementos utilizados para limitar las sobretensiones por maniobra. van de acuerdo

con el tipo y diseño de cada interruptor. En la tabla 2.9a se muestra la

coordinación del aislamiento para las sobretensiones debidas a la operación de

interruptores en diferentes tensiones.

Transfonnador Pararrayos

Tensión nominal !--~---------+------~---------< del circuito kv

(eficaz)

230

NBI

kv

900

825

750

Tensión de •islamlenlo por

operación de interruptores

kv cresta

740

680

620

Tensiones

nominales kv

(eficaz)

240(100%)

195(80%)

182(72%)

240(100%)

240(100%)

195(80%)

182(72%)

Tensiones de descarga por

operación de Interruptores

kv (cresta)

575

550

515

575

550

515

575

550

515

Margen de

protección

mlnimo en%

29

34

43

18

24

32

8

13

20

Tabla 2.9a ejemplo de coordinación de •lslam5ento por sobretenslones originadas por la operación de Interruptores

32

El fenómeno de abrir una corriente y que aparezca una sobretensión, se basa en

el principio de la conservación de la energía, es decir, existe una energía cinética

debida al flujo de una corriente, al interrumpirse el flujo de ésta, la energía cinética

se transforma en energía potencial, apareciendo una tensión eléctrica entre las

· terminales de los contactos abiertos. Dicho en otra forma. la energia que se

almacena en la inductancia L de un transformador es 1/2 Li2, siendo i la magnitud

de la corriente en el momento de interrumpirse el circuito. Al abrir la circulación de

corriente entre Jos contactos. la energía se transforma en electrostática, o sea en

1/2 cv", donde e es la capacitancia del sistema, y V es la tensión que parece

entre los contactos del interruptor. Esta transferencia de la energfa almacenada en

el campo magnético al campo eléctrico, se realiza por medio de un fenómeno de

resonancia que ocurre cuando las reactancias inductiva y capacitiva son iguales,

es decir:

Sustituyendo

2 fL = 1/( 2 fe)

en donde, despejado, se obtiene la frecuencia de oscilación de la tensión

f = 1/( 2..JLc) .

y cuyo valor pico se obtiene al igualar las dos energías y despejar el valor de V,

es decir

Ya Li2 = Ya cv2

V=ivUC

33

Al abrir un interruptor, en ningún caso se debe producir una sobretensión mayor

de 2.5 veces la tensión nominal. También como ultima protección para evitarlas

sobretensiones, cada subestación debe tener una red de tierra bien diseñada a la

que se conectan los neutros de los transformadores, las descargas de los

pararrayos, los cables de guarda, las estructuras metálicas, los tanques de los

aparatos, rejas y partes metálicas en general, que estarán siempre al potencial

de la tierra circundante.

CAPITULO 111

" REQUERIMIENTOS DE AISLAMIENTO "'

35

3.1.INTRODUCCIÓN

Considerando el aislante peñecto para las aplicaciones eléctricas, tendria que

ser un material absolutamente no conductor, pero ese material no existe. Los

materiales empleados como aislantes siempre conducen algo la electricidad,

pero presentan una resistencia al paso de corriente eléctrica hasta 2,5 >< 1024

veces mayor que la de los buenos conductores eléctricos como la plata o el

cobre. Estos materiales conductores tienen un gran número de electrones libres

(electrones no estrechamente ligados a los núcleos) que pueden transportar la

corriente; los buenos aislantes apenas poseen estos electrones. Algunos

materiales, como el silicio o el germanio, que tienen un número limitado de

electrones libres, se comportan como semiconductores. y son la materia básica

de los transistores.

En los circuitos eléctricos normales suelen usarse plásticos como revestimiento

aislante para los cables. Los cables muy finos, como los empleados en las

bobinas (por ejemplo, en un transformador), pueden aislarse con una capa

delgada de barniz. El aislamiento interno de los equipos eléctricos puede

efectuarse con mica o mediante fibras de vidrio con un aglutinador plástico. En

los equipos electrónicos y transformadores se emplea en ocasiones un papel

especial para aplicaciones eléctricas. Las lineas de alta tensión se aislan con

vidrio, porcelana u otro material cerámico.

La elección del material aislante suele venir determinada por la aplicación. El

polietileno y poli estireno se emplean en instalaciones de alta frecuencia, y el

mylar se emplea en condensadores eléctricos. También hay que seleccionar los

aislantes según la temperatura máxima que deban resistir. El teflón se emplea

para temperaturas altas, entre 175 y 230 ºC. Las condiciones mecánicas o

36

químicas adversas pueden exigir otros materiales. El nylon tiene una excelente

resistencia a la abrasión, y el neopreno, la goma de silicona, los pofiésteres de

epoxy y los poliuretanos pueden proteger contra los productos qulmicos y la

humedad.

3.2.AISLAMIENTOS DE TRANSFORMADOR

Considerando las máquinas eléctricas, en su vida, prácticamente los

transformadores dependen del comportamiento de sus aislamientos para las

condiciones normales de operación. Por esta razón, tas asociaciones de

fabricantes de equipo eléctrico y las normas nacionales e internacionales han

designado básicamente cuatro tipos de aislamientos con especificaciones y límites

de temperatura. Esta clasificación es la siguiente:

Aislamiento clase A. Diseñado para operar a no más de 55ºC de elevación de

temperatura, que es el próximo al punto de ebullición del agua, pero en el caso de

los transformadores tipo seco, previene accidentes con materiales combustibles

en el área con el transformador.

Aislamiento clase B. La elevación de temperatura puede no exceder los 80ºC

en las bobinas, por lo general estos transformadores son más pequenos que los

que usan aislamientos clase A.

Aislamiento clase F. Esta clasificación se relaciona con elevaciones de

temperatura en las bobinas de hasta 11 SºC. Por lo general, corresponden a

transformadores pequeños tipo distribución de hasta 25ºC.

Aislamiento clase H. Esta clase de materiales aislantes permiten disenar para

37

elevaciones de temperatura de 150ºC cuando está operando el transformador a

una temperatura ambiente de 40ºC, para que alcance hasta 190ºC y con el punto

más caliente no exceda a 220ºC. Los materiales aislantes de clase H consisten de

materiales o combinaciones de materiales. tales como: mica, fibra de vidrio,

asbestos, elastómeros y silicones o resinas a base de éstos. En la actualidad, la

mayoria de los transformadores tipo seco usan aislamientos tipo H. Las normas

americanas ANSI y NEMA establecen que un aislamiento tipo H puede operar a

1 SOºC hasta por 20 000 horas.

3.2.1METODOS DE ENFRIAMIENTO

Tomando en cuenta como prevenir el rápido deterioro de los materiales aislantes

dentro de un transformador, se deben proveer los medios de enfriamiento

adecuados, tanto para el núcleo como para los devanados.

Los transformadores con potencia inferiores a 50 kv, se pueden enfriar por medio

del flujo de aire circundante a los mismos. La caja metálica que los contiene se

puede habilitar con rejillas de ventilación de manera que la corriente circula por

ahf, los transformadores mayores es el mismo procedimiento lo que cambio la

circulación forzada de aire limpio.

Los transformadores de tipo distribución menores de 200 kv están usualmente

inmersos en aceite mineral y encerrados en tanques de acero. El aceite

transporta el calor del transformador hacia el tanque, donde es disipado por

radiación y convección hacia el aire exterior del transformador. Debido que el

aceite es mejor que el aire, se usa invariablemente en los transformadores de alta

tensión

TIPC>AA ENFRIAMIENTO POR AIRE

POR CONVECCION e:L AIRE FRIO ENTRA POR LA PARTE INFERIOR V

SALE POR LAS REJILLAS SUPERIORES

38

TfPO CA t:NFRIAMH!NTC> POR AC:elTE

LAS BOBINAS SE ENCUENTRAN SUMERGIDAS EN UN TANQUE CON ACEITE LA SUPERFICIE DEL TANQUE PUEDE SER

LISA. CORRUGADA O CON TUBOS

En el caso de transformadores enfriados por aceite, los tanque se construyen de

lámina o placa de acero común. Estos tanques pueden ser lisos, con paredes

onduladas o con tubos radiadores, según sea la capacidad de disipación

deseada

(A) (8)

TIPOS DE TANQUES PARA TRANSFORMADORES ENFRIADOS POR ACEITE

TESIS CO:t-,i FALLA DE ORIGEN

(C)

a) tanque liso b) tanque ondulado c) tanque con tubos radiadores

1.- tapa del tanque

2.- base del tanque

3.- cuerpo del tanque

4.- aletas ( en su caso)

5.- tubos radiadores

6.- ruedas de rolar

7.- punto de apoyo para maniobra

39

Los aislamientos en un transformador de potencia son necesarios para mantener

una separación adecuada entre dos puntos de diferente potencial, dentro del

circuito eléctrico del propio transformador; en términos generales y dependiendo

de los puntos Que se van aislar, los aislamientos se pueden clasificar en las

siguientes categorias:

-Aislamiento principal o mayor, el cual comprende la separación entre devanados

diferentes de una misma fase, as! como la separación. entre devanados y tierra.

-Aislamiento menor, Que comprende la separaci6n entre espiras (vueltas)

adyacentes y además, la separación entre secciones del mismo devanado.

-Aislamiento entre fases diferentes, que· comprende la separación entre los

devanados de estas fases.

Los materiales Que integran los aislamientos en un transformador son

básicamente aceite y papel aislante, de altas caracterlsticas de rigidez dieléctrica;

además, aunque en menor proporción, se utilizan otros materiales como madera,

vidrio, porcelana, etc. De acuerdo a sus caracterlsticas térmicas, tanto el aceite

como el papel se clasifican en la clase ºA", los cuales deben operar a

temperaturas máximas de 105ºC, sin pérdida de vida por degradación térmica.

40

En los transformadores como ya se dijo existen materiales. aislantes con otra

clasificación diferente a la "A" pero debido a que la limitante es el aceite, por esa

razón el aislamiento del transformador se considera como aislamiento clase "A".

Por otra parte existen transformadores tipo seco clasificados con aislamiento clase

H. Que son para temperaturas máximas de 125ºC.

En la actualidad existen otros productos aislantes que están en proceso de

desarrollo como lo es el silicón y el Hexafloruro de azufre que se comienzan a

utilizar en transformadores: pero hasta este momento no existe una clasificación

definida para estos productos.

Además de la degradación térmica, la vida de estos materiales aislantes es

afectada por la humedad. contaminación qufmica, efecto corona, esfuerzos

anormales de voltaje y esfuerzos mecánicos.

Con los transformadores de potencia en ( servicio, los sistemas de aislamiento

deben soportar esfuerzos dieléctricos debidos a la excitación continua de voltajes

normales, a voltajes transitorios bajo condiciones de falla, Sobretensiones

ocasionadas por maniobras y Sobretensiones de impulso debidos a descargas

atmosféricas; Todas estas Sobretensiones implican ~everos esfuerzos eléctricos,

sobre todo los frentes de onda de Sobretensiones de impulso, Llegándose a

producir la falla de los aislamientos al sobrepasar los limites de diseño, errores en

los mismos o deficiencias de construcción; durante su servicio. los aislamientos

sufren deterioros que provocan la falla a largo plazo, estos deterioros son

provocados por la presencia de pequeñas descargas eléctricas (parciales), las

cuales ocurren a través de pequeñas partes del aislamiento, que por deterioro

progresivo y generación de gas, llegan a provocar la falla; como ya se mencionó,

otra causa de degradación a largo plazo lo constituye la temperatura y los

41

esfuerzos eléctricos continuos del voltaje normal de operación, Que provocan lo

que se conoce como "Pérdida de vida de los aislamientos".

Para garantizar Ja operación satisfactoria de los aislamientos. dentro de ciertos

limites establecidos de acuerdo a normas, disef\o y coordinación de los

aislamientos, tanto internos como de las instalaciones externas y ligadas a los

transformadores, se han establecido pruebas de laboratorio tales como, de baja

frecuencia de impulso y de maniobra. Tanto las pruebas de voltaje de baja

frecuencia, como las pruebas de impulso y de maniobra, son definidas de acuerdo

a normas y a voltajes nominales ya establecidos.

3.3.MATERIALES PARA LOS AISLAMIENTOS

Según uno de los materiales mas usado es el papel, es una de las partes más

importantes en los transformadores modernos que merece una mención especial.

El papel puede ser clasificado como un producto natural. Muchas clases de fibras

se encuentran en la naturaleza de las cuales se puede hacer un papel dieléctrico

de buena calidad. Papel kraft fibra de madera papel Manila cuerda de Manila

kraft board fibra de madera press board. madera y algodón. El papel tiene una

excelente resistencia dieléctrica y bajas pérdidas dieléctricas cuando está seco,

pero puede absorber humedad muy rápidamente. Con objeto de superar esta

dificultad, debe ser secado y tratado (impregnado) en algún liquido (aceite, barniz

o resina) para excluir humedad y mantener la rigidez dieléctrica. Tal tratamiento

llena los espacios huecos entre fibras e incrementa la rigidez dieléctrica.

42

Uno de los materiales de igual forma importante que se utiliza a menudo es el

aceite. Es importante para el aislamiento del transformador. El aceite, como el

papel, es un producto natural que contiene una variedad de impurezas y en

diferentes cantidades. Es universalmente usado principalmente porque tiene un

bajo costo comparado con cualquier otro aislante liquido sintético.

Tiene también la particular ventaja de impregnar plenamente el papel. Se

considera que las corrientes de ruptura tienen en el aceite la particularidad de

crear cargas eléctricas espaciales, que reducen el esfuerzo efectivo e incrementan

la rigidez; mientras que en otros liquidos aislantes, las corrientes de ruptura una

vez establecidas, producen una falla completa. Este fenómeno no esta totalmente

aclarado, aunque ha sido sujeto a gran cantidad de estudios.

El hecho es que papel impregnado de aceite es a la fecha, el material económico

de más alta rigidez.

3.3.1MANE.JO Y ALMACENAMIENTO DE LOS ACEITES AISLANTES.

El aceite aislante normalmente no se utiliza inmediatamente después que ha

finalizado su refinación. Si no que pasa por operaciones de almacenajes. y llenado

de recipientes para su traslado a otros lugares. SI la refinación y acabado de

aceite es de buena calidad y las operaciones posteriores de almacenamiento y

manejo son llevadas a cabo en forma inadecuada el aceite puede contaminarse.

Esto provocarla en el aceite una disminución en su capacidad dieléctrica y puesto

que esta caracterlstica es una condición muy estricta en el equipo eléctrico, deben

extremarse medidas de protección en cuanto a su almacenamiento. Transporte y

manejo pues de ellos depende que el aceite se conserve en óptimas condiciones.

43

La prevención contra contaminación es básicamente un asunto de sentido común

y ninguna precaución razonable debe ser desdenada. El almacenamiento en

tanques debe hacerse si estos están limpios y secos. además de que su pared

interior sea recubierta con pintura resistente al aceite para evitar la corrosión y que

cuenten con un sistema de preservación.

3.4.NIVEL DE AISLAMIENTO

Consideraremos una subestación para conocer en nivel de aislamiento, una vez

determinada la tensión nominal de operación, se fija el nivel de aislamiento que,

en forma indirecta. fija la resistencia de aislamiento que debe tener un equipo

eléctrico para poder soportar Sobretensiones de diferentes procedencias.

Sobretensión externa, causa por descargas atmosféricas, (rayos), es la mayor

importancia en instalaciones eléctricas con tensiones nominales inferiores a

300kv.

Sobretensión interna, debido a maniobras de interruptores, es la mayor

importancia en instalaciones eléctricas con tensiones nominales superiores a

300kv

El nivel de aislamiento de una subestación se fija en función de la tensión nominal

de operación, de las normas correspondientes y de los niveles de Sobretensiones

existentes en el sistema. Se conoce con el nombre de Nivel Básico de Impulso

(NBI) y sus unidades se dan en kilovolts.

3.4.1COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO

44

Denominamos coordinación de aislamiento de una instalación eléctrica al

ordenamiento de los niveles de aislamiento de los diferentes equipos, de tal

manera que al presentarse una onda de sobretensión, ésta se descargue a través

del elemento adecuado, que se le llama explosor o pararrayos, sin producir

arqueos ni daños a los equipos adyacentes.

La coordinación de aislamiento compara las caracteristicas de operación de un

pararrayos, dadas por sus curvas tensión-tiempo, contra las caracteristicas de

respuesta del aislamiento del equipo por proteger, dadas también por sus propias

curvas tensión - tiempo. Dicho de otra forma, la coordinación de aislamiento se

refiere a la correlación entre los esfuerzos dieléctricos aplicados y los esfuerzos

dieléctricos resistentes.

En un sistema eléctrico es importante coordinar los aislamientos entre todo el

equipo de la instalación. Para ello, se pueden considerar tres niveles de

aislamiento como en la Fig. 3.4a

Figura 3.4a muestra un diagrama unifilar.


45

En su parte superior se encuentran los tres niveles de sobretensión considerados

en la coordinación de aislamiento, se indica el nivel que corresponde a cada

aparato, Vn es la tensión nominal del sistema

Nivel 1, también llamado nivel alto. Se utiliza en los aislamientos internos, no auto

recuperables (sin contacto con el aire). de aparatos como: transformadores,

cables o interruptores.

Nivel 2, también llamado nivel medio o de seguridad. Está constituido por el nivel

de aislamiento autorrecuperable de las partes vivas de tos diferentes equipos que

están en contacto con el aire. Este nivel se adecua dé acuerdo con la altura sobre

el nivel del mar de la instalación y se utiliza en todos los aisladores de aparatos.

buses y pasamuros de la subestación que están en contacto con el aire.

Nivel 3, también llamado nivel bajo o de protección. Está constituido por el nivel de

tensión operación de los explosores de los pararrayos de protección.

Respecto a los intervalos entre los niveles de tensión, se considera que la

diferencia entre los niveles medio y alto puede ser entre O y 25%. La diferencia

entre los niveles medio y bajo (pararrayos) ser suficiente con un 15%. Sin

embargo, como los pararrayos pueden estar instalados a una distancia algo mayor

que la debida de los aparatos por proteger, las Sobretensiones que llegan a estos

aparatos pueden ser ligeramente superiores a las de operación del pararrayos.

Por lo tanto, es conveniente también, fijar una diferencia de 25% entre estos dos

últimos niveles.

3.4.2.TENSIÓN NOMINAL

46

Considerando la tabla 3.4.2a en donde indicamos los valores normalizados de las

tensiones nominales entre fases, adoptados por la. Comisión Electrotécnica

Internacional (CEI).

tabla 3.4.2a

Tensiones nominales del sistema kv

66 69

110 115

132 138

150 161

220 230

275 287

330 345

380 400

500

700a750

3.5.NIVEL BÁSICO DE IMPULSO

Tensión máxima párale ~uion kv

72.5

123

145

170

245

300

382

420

525

785

A partir de estos niveles de aislamiento se deben adoptar las disposiciones

necesarias para evitar que se produzca el efecto corona en las barras colectoras,

en los conectores y en cualquier punto de la instalación.

Por otra. La elección del nivel de aislamiento adecuado determina las

caracteristicas de aislamiento de los aparatos, las distancias entre las partes

47

conductoras de fase diferente y entre fase y tierra; tiene además, una repercusión

importante en el costo de la subestación.

En la tabla se observa que la columna del nivel de aislamiento al impulso se divide

en dos partes, una para el aislamiento pleno y la otra para el aislamiento reducido.

A medida que el valor de la tensión máxima crece, el número de valores de

tensión del aislamiento reducido también crece para un mismo valor de la tensión

máxima.

En la tabla 3.5a aparecen los factores de corrección por altitud que se aplican a

todos los aislamientos externos, o sea en contacto con el aire, de los equipos de

alta tensión. Como se observa. para aisladores eléctricos situados en altitudes

superiores a la normalizada de 1000m, el NBI de los aislamientos externos se

reduce progresivamente a partir de 1000 m. Nivel de aislamiento externo e interno

de los aparatos.

Ejemplo:

Analizar el caso de un sistema de 230 kV nominales, instalado a 2,300 metros de

altura sobre el nivel del mar; seleccionar un transformador para cuyas bobinas, de

acuerdo con la tabla 3.5a, se considera la tensión máxima de 245 kV. A este valor

corresponde un NBI, para los aislamientos externos (boquillas) de 1050 kV al nivel

del mar. De acuerdo con la tabla 3.5b, a la altura de 2,300 m.s.n.m. se tiene un

factor de corrección por altitud de 0.87. Por tanto, el NBI de los aislamientos

externos, de los aparatos con NBI de 1,050 kV al nivel del mar, que se instalan a

2,300 m, .se reduce a 913 kV, o sea 1,050x0.87 = 913 kV.

48

Según la tabla 3.Sa para el valor de 1,050 kv, se puede elegir para las bobinas del

transformador cualquiera de los tres valores que aparecen en la columna de

aislamiento reducido. Ahora bien para tener una buena coordinación de

aislamiento entre las boquillas exteriores, cuyo NBI es de 913, y el bobinado

interior, se debe escogerse el valor de 900kv.

49

Tabla 3.5a

Tenslón méxlma par-a el Nivel de aislamiento al Impulso Nivel de aislamiento a baja frecuencia

equipo kv efieaz Aislamiento pleno Aislamiento Aislamiento pleno Aislamiento

kv cresta reducido kv cresta kv efic.z reducido kv eficaz

380 150

•SO 185

550 230

450 185

650 275

550 230

900 395

100 825 360

123 750 185 325

450

145 1175 230 510

550

170 1050 275 •SO

650

245 900 395

750

300 1300 325 570

1050 362 1175 510

420 1050 460 460

525 1875 7•0

1550 680

1425 630

1300 570

1800 790

1675 740

1550 680

1425 63

Tabla 3.5b

Altitud M

1000 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3600 4200 4500

F•ctor de corrección del nivel de aislamiento

1.00 0.98 0.95 0.92 0.89 0.86 0.83 0.80 0.75 0.70 0.67

50

Corrección del nivel de aislamiento externo de los aparatos para altitudes

mayores a 1 OOOm

3.6.NORMAS DE AISLAMIENTO

El Reglamento de las Líneas dice, en sus articules 2 y 24, lo siguiente:

Artfcu/o 2." Tensiones

Se entiende por «tensión nominal>>. el valor convencional de la tensión eficaz entre

fases con que se designa la linea y a la cual se refieren determinadas

características de funcionamiento, y por «tensión más elevada» de la linea, al

mayor valor de la tensión eficaz entre fases, que puede presentarse en un instante

en un punto cualquiera de la linea, en condiciones normales de exploración, sin

considerar las variaciones de tensión de corta duración debidas a defectos o a

desconexiones brusca, de cargas importantes.

51

Las tensiones nominales normalizadas, asi como los valores correspondientes de

las tensiones más elevadas -según las normas CEI- se incluyen en el cuadro de la

página siguiente.

Únicamente en el caso de que la linea objeto del proyecto sea extensión de tina

red ya existente. Podrá admitirse la utilización de una tensión nominal diferente de

las anteriormente señaladas.

De entre ellas se recomienda la utilización de las tensiones que a continuación se

indican:

rate;:ior a de la linea

3•

1•

20 - 66 - 132 - 220 Y 380 k V

ens10n nominal (kv 3 6 10 15 20 30 45 66 132 220 380

Tensión mas elevada kv) 3.6 7.2 12

17.5 24 36 52

72.B 145 245 420

SI durante la vigencia del presente Reglamento y en ausencia de disposiciones

sobre la materia, se considera conveniente la adopción de una tensión nominal

superior a 380 kv, deberá justificarse de modo adecuado. La elección del nuevo

escalón de tensión propuesto, de acuerdo con las recomendaciones. Organismos

técnicos internacionales y con el criterio existen en los paises limltrofes.

La tensión nominal de la linea, expresada en kilovoltios, se designará en lo

sucesivo por la letra U.

52

En el siguiente articulo, las lineas quedan clasificadas en la siguiente forma:

Primera categorfa: las de tensión nominal superior a 66 kV.

Segunda categorfa: Las de tensión nominal comprendida entre 66 y 30 kV, ambas

inclusive.

Tercera categoria: Las de tensión nominal inferior a 30 kv, e igualo superior a 1

kV.

Arlfcufo 24. Nivel de aislamiento

El nivel de aislamiento se define por las tensiones soportadas bajo lluvia, a 50 Hz,

durante un minuto y con onda de impulso de 1,2/50 microsegundos, según

Normas de la Comisión Electrotécnica internacional. Los niveles de aislamiento

mfnimos correspondientes a la tensión más elevada de la linea, tal como ésta ha

sido definida en el articulo 2", serán los reflejados en fa siguiente tabla ..

Calegorra de la Unea Tensión mas elevada kv Tensión de ensayo al choque eficaz kv cresta

3.6 45 7.2 60

3• 12 75 17.5 95 24 125 38 170

2• 52 250 72.5 325

Neutros a Neutros tierra aislados

100 380 450 1• 123 450 550

145 550 650 170 650 750 245 900 1.050 420 1.550

Tensión de ensayo a frecueneia Industrial kv

eficaces

Neutros a Oerra 150 185 230 375 395 680

16 22 28 38 50 70 95 140

Neutros aislados

185 230 275 325 460

53

En el caso de proyectarse lineas a una tensión superior a las incluidas en esta

tabla, para la fijación de los niveles de aislamiento se recomienda atenerse a las

normas sobre esta materia de la Comisión Electrotécnica Internacional.

CAP 1 TUL O IV

" CARACTERÍSTICAS DE LOS PARARRA VOS "

54-1

4.1.INTRODUCCIÓN

A continuación se muestra algunas características de los pararrayos expuestas

por algunos autores de las cuales se tomaron las mas importantes .Las

Sobretensiones que se presentan en las instalaciones de un sistema pueden ser

de dos tipos:

1. Sobretensiones de origen atmosférico.

2. Sobretensiones por fallas en el sistema.

En el estudio que ahora nos ocupa trataremos la protección contra Sobretensiones

de origen atmosférico.

Apartarrayos. El apartarrayos es un dispositivo que nos permite proteger las

instalaciones contra Sobretensiones de origen atmosférico.

Las ondas que se presentan durante una descarga atmosférica v1a1an a la

velocidad de la luz y dañan el equipo si no se le tiene protegido correctamente;

para la protección del mismo se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos:

a)Descargas directas sobre la instalación

b)Descargas indirectas

De los casos anteriores. el más interesante. por presentarse con mayor

frecuencia, es el de las descargas indirectas. El apartarrayos, dispositivo que se

encuentra conectado permanentemente en el sistema. opera c1.:-1ando se presenta

una sobretensión de determinada magnitud, descargando la corriente a tierra.

55

Su princ1p10 general de operación se basa en la formación de un arco eléctrico

entre dos explosores, cuya separación está determinada de antemano de acuerdo

con la tensión a la que va a operar. Como se muestra en la fig 4.1 a

Linea

1 Explosores

T Conexión a tierra

Fig4.1a

Se fabrican diferentes tipos de apartarrayos, basados en el principio general de

operación; por ejemplo. los más empleados son los conocidos como "apartarrayos

tipo autovalvular" y .. apartarrayos de resistencia variable".

El apartarrayos tipo autovalvular tienen varias chapas de explosores conectados

en serie por medio de resistencias variables, cuya función es dar una operación

más sensible y precisa. Se emplea en los sistemas que operan a grandes

tensiones, ya que representa una gran seguridad de operación. El apartarrayos de

resistencia variable funda su principio de operación en el principio general. es

decir, con dos explosores, y se conecta en serie a una resistencia variable. Se

emplea en tensiones medianas y tiene mucha aceptación en sistemas de

distribución. Como se muestra en la fjg4.1 b

~ :p•rtarrayos de ~esislencia variable

Fig4.lb

56

La función del apartarrayos no es eliminar las ondas de sobretensión presentadas

durante las descargas atmosféricas. sino limitar su magnitud a valores que no

sean perjudiciales para las máquinas del sistema. Las ondas que normalmente se

presentan son de 1.5 x 40 microseg. (onda americana) y 1 x 40 microseg. (onda

europea). Esto quiere decir que alcanza su valor de frente en 1.5 a 1 microseg.

(tiempo de frente de onda). La función del apartarrayos es cortar su valor máximo

de onda (aplanar la onda).como se muestra fig 4.1c

100%

50% _L VOLTAJE DE DISPARO

or,¡oA. CORTA

ONDA DE CHOQUE

fig4.1c

t1 TIEMPO DE FRENTE DELA ONDA

ti EN ftSEG

Las Sobretensiones originadas por descargas indirectas se deben a que se

almacenan sobre las lineas cargas electrostáticas que al ocurrir la descarga se

parten en dos y viajan en ambos sentidos de la linea a la velocidad de la luz.

Los apartarrayos protegen también a las instalaciones contra descargas directas,

para lo cual tiene un cierto radio de protección. Para dar mayor seguridad a las

instalaciones contra descargas directas se instalan unas varillas conocidas como

bayonetas e hilos de guarda semejantes a los que se colocan en las lineas de

transmisión.

TESIS CON "FALLA DE ORIGEN

57

La tensión a que operan los pararrayos se conoce técnicamente como tensión de cebado del pararrayos

Localización del pararrayos


58

El condensador se emplea como filtro con los apartarrayos de los generadores.

4.2.CUERNO DE ARQUEO

Es el caso de los pararrayos más primitivos y pueden estar formados par un solo

explosor. que es el caso más sencillo. o varios explosores en serie, conectados

por un lado al circuito vivo que se va a proteger. y por el otro lado, a la red de

tierra como se muestra en la figura 4.2a.

Este sistema, que seria el más económico, tiene el inconveniente de que una vez

originado el arco en el explosor se ioniza el aire y la corriente de descarga se

transforma en una corriente de cortocircuito a tierra que sólo se puede eliminar

mediante la apertura de un interruptor o fusible adecuado. Su uso no es común.

Se podrfa utilizar mediante el uso de un interruptor con circuito de recierre.

TESIS CON 1 P~ LLA DE ORIGEN

59

+~=~.=~· /'/?????l??/??7777 red de tierra

Fig. 4.2a

4.3.PARARRA YOS AUTOVALVULARES

Este grupo de pararrayos, llamados también de tipo convencional, está formado

por una serie de resistencias no lineales de carburo de silicio. prácticamente sin

inductancia, presentadas como pequeños cilindros de materia prensado. Las

resistencias se conectan en serie con un conjunto de explosores intercalados

entre los cilindros ,como se muestra en la fig. 3.4a

Linea

Explosor

_L···-··"-"' e- Tierra

//7

TESIS CON FALLA. DE ORIGEN ·,__ __ _

60

Las resistencias evitan que. una vez iniciada la descarga en los explosores, se

produzca una corriente permanente. A su vez permiten disminuir las distancias

entre los electrodos. Proporcionando mayor sensibilidad al pararrayos. Aun en el

caso de Sobretensiones reducidas.

Las resistencias no lineales son unos pequeños cilindros formados por pequeñas

particulas de silicio (SiC) con dimensiones del orden de 200 micrones, como se

observa en la figura 4.3a

La curva caracterlstica no lineal de tensión·corriente se obtiene a partir de la

propiedad semiconductores eléctricas, por la interacción entre el carburo de silicio

y el aglutinador que permite cierto contacto entre las partículas de SiC,

ocasionando la obtención de una resistencia no lineal.

Tensión

T -----=-mento de SIC

~Comente Elemento de SiC Curva caracterlstica

Fig. 4.3a

Los cilindros semiconductores tienen la propiedad de disminuir su resistencia en

presencia de Sobretensiones y de aumentarla a un valor prácticamente infinito, al

regresar la tensión a su valor nominal. Esto convierte al pararrayos en una válvula

de seguridad para las altas tensiones que funcionan en el momento necesario,


61

evitando la persistencia de la corriente de cortocircuito sin que se produzcan

oscilaciones secundarias.

4.4.FUNCIONAMIENTO DEL PARARRAYO

Cuando se origina una sobretensión, se produce el arqueo de los entrehierros y la

corriente resultante es limitada por las resistencias a pequeños valores, hasta que

en una de las pasadas por cero de la onda de corriente, los explosores

interrumpen definitivamente la corriente. En la figura 4.4a se observa el efecto de

una onda de choque sobre un pararrayos de tipo valvular. en donde Ve = Valor de

la tensión máxima de la onda de choque y en la fig 4.4b la corriente.

El frente escarpado que semeja una función escalón, tiene una duración de 1.2

microsegundos. y llega al valor de la mitad de Ve en un tiempo de 50

microsegundos.

V

v.

v, V 1 •A 2 V,. Inicio de •rqueo del explosor

Tensión residual•V,

v, Vc/2

tot, tals TiempoC-)

Fig. 4.4a

TESIS CON ' FALLA DE ORIGEN

62

1.5

Amperes

Flg 4.4b Tiempo C-..i>

En la figura se observa que una vez iniciada la onda de choque en to, ésta

empieza a crecer hasta llegar a V 1• punto en que empieza a ionizarse el

entrehierro del explosor, sigue creciendo la tensión y al llegar a V 2 , se produce el

arco entre las terminales de! explosor. El valor V2 se relaciona con la amplitud de

la tensión nominal Vn de la red. por medio de un ,coeficiente A . de acuerdo con la

expresión

V2 =A ..J2• Vn

En donde A es una constante que depende de las caracterlsticas de diseño del

pararrayos, y en forma práctica se le fija un valor de 2.4 A V 2 , se le llama tensión

de arranque del pararrayos. A partir de este valor, la tensión desciende

rápidamente hasta llegar a V,. que se denomina tensión residual, y cuya magnitud

aparece entre la, terminales del pararrayos, en el momento en que la corriente de

descarga; alcanza su valor máxima de intensidad lm ,de acuerdo con la expresión

Donde de R es la magnitud en ohms, de la resistencia no lineal en el instante 10


63

observando la gráfica se nota que el pararrayos reduce la onda de sobretension

del valor de pico V 2 al valor de la tensión residual V 3 en un tiempo muy breve, del

orden de 8 microseg. Por otro lado, durante la descarga de la sobretensión, en la

resistencia no lineal circula una corriente con un valor máximo lm. que fija la

capacidad de descarga máxima de energla a través del pararrayo sin que éste

sufra deterioro alguno.

Cuando los pararrayos deban limitar también las sobretensiones que originan la

operación de interruptores. los explosores. incluyen también un soplado magnético

que cumple dos funciones extinguir más rápidamente el arco formado y oponer

mayor resistencia a los. reencendidos.

4.5.Pararrayos de óxidos metálicos

Tienen su base en las investigaciones que se han efectuado sobre las

propiedades semiconductoras de los óxidos metálicos. Los fabricantes de equipo

eléctrico han venido desarrollando desde hace unos quince años, otro tipo de

pararrayos, el de óxido de zinc (ZnO). Este tipo esta basado también en que la

curva de tensión-corriente de las resistencias es menos lineal que el del caso de

carburo de silicio. conduce cuando la tensión es superior a la tensión máxima de

referencia. y cierra la. conducción. prácticamente a un valor cero. cuando la

tensión regresa a su valor normal.

Los pararrayos están constituidos por varias piezas de resistencia no lineal de

óxido de zinc. apiladas dentro de una columna hueca de porcelana sin

entrehierros. En la parte superior de la porcelana tienen una placa relevadora de

presión que, en caso de una sobrepresión interna, se rompe y permite escapar los

gases hacia arriba sin producir daños laterales. Las resistencias no lineales son

64

pequel'los cilindros formados por partículas de óxido de zinc de menor tamal'lo que

en el caso de los convencionales, según la figura 4.3a Las partículas están

formadas por cristales de óxido de zinc de unos 10 micrones, l'"Odeados por un

material aglutinador de mayor resistencia eléctrica que el cristal el cual produce

una separación entre los cristales del orden de 0.1 de micrón y permite cierto

contacto entre los cristales de óxido. ocasionando una resistencia no lineal. La

resistencia de los cristales es mucho menor que la del material aglutinador. de tal

manera que cuando aparece una sobretensión entre los elementos no lineales

casi toda la tensión aparece en la capa aglutinadora: asl se produce un fenómeno

multiplicador de corriente tlpico de la electrónica de estado sólido y se obtiene

una caracteristica extremadamente no lineal entre la tensión aplicada y la corriente

resultante, que se aproxima al caso del pararrayos ideal.

La característica tensión corriente de estos pararrayos corresponde a la relación:

l=KV"

que indica la corriente que circula en el pararrayos donde:

K- factor que depende de las dimensiones de la resistencia y de su material

n- exponente que tiene valores entre 4 y 6 para los autovalvulares y entre 30 y 40

para los de óxido de zinc.

4.6.CARACTERISTICAS DE PARARRAYO

Son unos dispositivos eléctricos formados por una serie de elementos resistivos

no lineales y explosores que limitan la amplitud de las sobretensiones originadas

por descargas atmosféricas, operación de interruptores o desbalanceo del sistema

65

Un dispositivo de protección efectivo debe tener tres caracteristicas principales:

- Comportarse como un aislador mientras la tensión aplicada no exceda de cierto

valor predeterminado.

- Convertirse en conductor al alcanzar la tensión ese valor.

- Conducir a tierra la onda de corriente producida por la onda de sobretensión.

Una vez desaparecida !a sobretensión y restablecida la tensión normal,. el.

dispositivo de protección debe ser capaz de interrumpir la corriente. Estas

características se logran con el aparato llamado pararrayos, el cual cumple con las

siguientes funciones:

a) Descargar las sobretensiónes cuando su magnitud llega al valor de la tensión

disruptiva de diseño.

b) Conducir a tierra las corrientes de descarga producidas por tas sobretensiónes.

c) Debe desaparecer la corriente de descarga al desaparecer las sobretensiónes.

d) No deben operar con sobretensiónes temporales, de baja frecuencia.

e) La tensión residual debe ser menor que la tensión que resisten los aparatos

que protegen.

Las sobretensiónes se agrupan en las categorias siguientes:

Sobretensiones de Impulso por rayo. Son generadas por ¡as descargas

eléctricas en la atmósfera (rayos); tienen una duración del orden de decenas de

microsegundos.

66

Sobretenslones de Impulso por maniobra. Son originadas por la operación de

los interruptores. Producen ondas con frecuencias del orden de 10 kHz y se

amortiguan rápidamente. Tienen una duración de! orden de milisegundos.

Sobretensiones de baja frecuencia (60 Hz). Se originan durante los rechazos de

carga en un sistema, por desequilibrios en una red o corto circuito de fase a tierra

tienen una duración del orden de algunos ciclos. Los pararrayos deben quedar

conectados permanentemente a los circuitos que protegen y entrar en operación

en el instante en que la sobretensión alcanza un valor convenido superior a la

tensión máxima del sistema.

4.6.1Caracteristicas de protección de los pararrayos para 23kv

Voltaje moaxlmo de

Voltaje nominal del Voltaje Voltaje Voltaje

desc•rga kv (cresta)

Denominación de circuito kv m•xlmo de m••lmo de

m••lmo de corriente de • . 20

kv n-eo ond• fl•meo ond•

fl•meo 50 mlcroaeg

pararrayos 1.200 kv/ de 1.2 X 50

(eficaz) Neutro c.p.• kv

efectivo• XJ•t>3 mlcro9eg mlcroseg kv

(eficaz) OKA 10KA 20KA

tierno kV(C,..•ta) (c,..t..)

1 24 27• 23 .. ., 42 412 11155 ••• Distancias a Uerra y entre fases en aubestadones de 23 kv

Separación Separación Anura

Distancia Distancia Distancia nonnal normal

minima de Distancia Distancia

Ntvel de minlma mlnima mlnima entre

panes minlma honzontal

Distancia

aislamiento de de fase a entre entre

vivas horizontal . vertical centros de centros de de . 2,300 m flameo . tlemo a ..... . rasesde fases de

aobre partes vhfas de

kv (cresta) 2,300 2,300m 2,300 de descubktrtas trabajo

Trabajo buses no buses

circulacion rigldos cm rigldos cm

21:1 33

125 25.6 (26.6 X (29 X 50 100 300 115 300 300

1.1) 1.15)

67

4.6.2. Caracteriaticas de protección de los pararrayos para 230kv

de

Voltaje méxlmo Voltaje

cebado,

Voltaje m;b:lmo

de cebado con

Voltaje

descarga

corriente

m4!xlmo de

kv (cresta )

de8X20 Denominación

pararrayos

(eficaz)

del Voltaje

kv nominar frente de onda

méximo

cebado, mfnimo

de Volta;e sobrevoltajes de microseg

del circuito 1,200

kv kv/mlcroseg

cresta

230 694

debidos onda 1.2 x

operaciones kv 50 microseg

Interruptores kv cresta

(cresta)

600 56

cebado 50 c. 1---.---,..---..¡ de kv p.s kv(efleaZ.)

SKA 10KA 20KA

500

Distancias a tierra y entre fases en subestaciones de 230 kv

Separación Separación "ltura Distancia

Distancia Distancia Distancia normal normal

mfnlma de Dlstancia Distancia

ven leal Nivel de mlnima mfnlma mfnlma

entre entre partes mlnlma

horizontal de

alslam9ento de de fase a entre centros de centros de

vivas horizontal a de

Trabajo

al Impulso nameo a tierra a fases a fases de fases de

sobre parles vivas trabajo

a 2,30Dm 2,300 2,30Dm 2.300 buses no buses

zonas de descubiertas

rlgldoscm rlgldoscm circulación

251 269 360

900 227.9 (227.9 X (251x 450 476 300 426 376

1.1) 1.15)

CAPITULO V

"APLICACIONES"

68-1

5.1.PROBLEMAS

Seleccionar la tensión de operación de un pararrayos por maniobra de interruptor,

en un sistema con tensión nominal de 230 kV.

a) E1 nivel básico de impulso del devanado del transformador es de 900 kV. El

nivel de aislamiento que se permite soportar al devanado por la operación del

interruptor. de acuerdo con las normas ANSI es:

0.83 X 900 = 747 kV

b) La Sobretensión máxima generada por operación de interruptores es, según la

norma ANSI, de 2.5 veces el valor pico de la tensión nominal a tierra

230 I .,/3 x -V2 X 2.5 = 468 kV

e) La tenssi6n de operación del pararrayos, por operación de interruptores, se

selecciona considerando un 10% arriba de la sobretensión máxima

468 X 1.1: 515 kV

El margen de protección (MP) obtenido de acuerdo con los datos encontrados es

de:

MP =747- 515 / 515x 100 = 45%

69

que es mayor del 20o/o que como minimo establece; la norma para ser correcto.

De los, datos obtenidos se puede concluir que, por un lado, se tiene buen margen

para que el pararrayos no opere por maniobra de interruptor y. por el otro, también

se tiene buen margen de protección para el equipo por proteger (transformador).

El interruptor puede elevar a 468 kV la sobretensión de maniobra, el pararrayos

opera a 515 kV, el transformador soporta 747 kV.

5.1.1.Localización del pararrayos.

La correcta protección de un equipo altamente sensible a las sobretensiones

eléctricas, como pueden ser los transformadores o los cables de potencia depende

de la distancia entre el punto en que se localizan los pararrayos y el punto donde

se localizan el punto para proteger.

Entre los factores principales que afectan la separación de los pararrayos y el

equipo por proteger se consideran los siguientes:

a) Magnitud y pendiente del frente de la onda de tensión incidente

b) Caracterfsticas de protección del pararrayos

c) Magnitud y forma de la onda de tensión que puede resistir el transformador

d) Impedancia caracterlstica de lineas y buses

Los pararrayos producen la máxima protección en el punto donde se encuentran

localizados, y su nivel de protección disminuye en ambos sentidos a partir del

punto máximo; la protección del equipo disminuye a medida que éste se va

alejando del pararrayos.

70

La tensión originada por una onda que aparece en un punto, a una distancia

determinada del pararrayos, está dada por la expresión

Vp = Vo +2 (dv/dt) x D I 300

Donde:

Vp- tensión que aparece en punto p a una distancia O entre el punto y el

pararrayos, originada por una sobretensión transitoria

Vo- tensión de máxima descarga del pararrayos, en kV

dv/dt -pendiente del frente de onda incidente en kV/µ.s

O- distancia en metros entre el pararrayos y el punto por proteger

300- velocidad de propagación de la onda en metros/ µ.s en conductores aéreos

5.1.2.EJEMPLOS

l. Determinar las características de un pararrayo del tipo de carburo de silicio,

instalado, en el lado de 400 kV de una subestación de 400/230 kV.

solución

Por norma NBI = 1425 kV (cresta)

NBM =1050 kV (cresta)

El factor de sobretensión lo fijan los interruptores y es de 2.5 p.u., para el caso del

neutro conectado sólidamente a tierra, en que K, = 0.8 tensión máxima; 420 kV.

Tensión nominal del pararrayos Vn

71

Vn= K1 Vmax

= 0.8 X 420 = 336 kV

Con este dato se entra al catálogo de un fabricante, en cuyas tablas se escoge el

valor de catalogo inmediatamente superior, que para este caso es: Vn = 360 kV

que corresponde a un pararrayos con los datos siguientes:

Tensión nominal Vn = 360 kV

Tensión de descarga por maniobra V 0 = 815 kV (cresta)

Tensión de descarga, 1.2 x 50 µs = 830 kV (cresta)

Tensión residual. a 20 kA = 820 kV (cresta)

La corriente de descarga Id se obtiene mediante la fórmula.

K constante que depende de la distancia en metros a la que cae el rayo. y cuyos

valores sé indican a continuación:

Dist•ncaa de ca~ en metros

700

1600

.3200

Vi - cafda de tensión debida a la resistencia interna del pararrayos

Zo - impedancia caracterfstica de la linea = 280 ohms, para este caso se puede

calcular por la fórmula:

Zo = 138 log10 (2h/r)

donde:

h-altura del conductor en metros.

r- radio de! conductor en metros.

72

Suponiendo que la descarga del rayo ocurre a una distancia entre 700 y 1600 m, y

además despreciando el valor de Vn. considerando las condiciones más criticas.

Id= 2 X (2 x1425/280) = 20.3 kA

se selecciona una lo de 20 kA.

Una vez obtenidos Vn e Id se busca en las tablas de pararrayos de los fabricantes .

. En este caso no existe el valor de Vn = 336 kV. Entonces se trata con las dos

alternativas que limitan a Vn por arriba y abajo, es decir. con Vn = 312 kV y Vn = 372 kV.

A continuación se tabulan los valores de las dos alternativas y se selecciona la

económicamente más adecuada.

CARACTERISTICAS DE LOS PARARRAYOS DE 312 Y 372 KV DE TENSIÓN NOMINAL

Tens1on nominal V,, (en kV) 312

Tensión de descarga por impulso, con

frente de onda de 1.2 x 50 µ.s • v. kV 882

cresta

Tensión residual por Impulso de

comente de descarga de 8120 µs/kV

Indice de elevación de tensión

(pendiente del frente de onda kv/µs )

Es decir:

706

1200

dv/dt = 100/12 Vn KV /µs.

372

1053

842

1200

73

Los dos márgenes de protección por rayo correspondientes a cada una de las dos

alternativas, que son:

1.- MP = 1425-882 / 882 x 100 = 61.6%

2.- MP = 1425-1053 / 1053 x 100 = 35.3%

Ambos son valores de 35%, que como mfnimo establece la norma. Por tanto. la

alternativa más adecuada económicamente es la 2.

La distancia máxima que se permite entre el pararrayos y el equipo que se va a

proteger por descargas atmosféricas, para un margen de protección del 20o/o(caso

de sistemas eléctricos firmemente aterrizados ), se obtiene de la formula :

D = 300 ( Vm -V0 ) / 2x dv /dt

Vm= k x NBI

Vm no debe ser mayor a 2, por el tiempo de ida y vuelta de la onda( 2t) , es decir

Vm = 0.8 X 1425 =1140

Caso 1 (dv/dt)1 = 100 /12 x Vn = 100/12 x 882 =7,350 kv /µs

Caso 2 [dv/dt], = 100 / 12 x 1053 = 8,775 kv /µs

La distancia para el caso 1

01 =300(1140 -1053) / 2 X 7350 =5027 m

Para el caso 2

74

D2 =300 (1140 -1053) / 2 X 8775 = 1.49 m

Como 0 2 es dificil de conseguir fisicamente entonces conviene utilizar el valor

de 0 1 si en el caso 1 el pararrayos se instala a 3m del transformador , la tensión

máxima que puede aparecer es

Vm =Vo + (2 dv/ dt X I;>) / 300 = 882 + ( 2 X 7350 X 3) / 300 =1,029 kv

En cuyo caso el margen de protección por descarga atmosférica seria:

MP =(NBI x Vm IV m )x 100 = (1425 - 1029 / 1029 )x 100 = 38.5%

que está dentro de la norma del 20%.

El margen de protección por maniobra. considerando la sobretensión máxima de

linea a tierra, que por norma no debe exceder de 2.5 p. u., seria aplicando la

fórmula

MPman1o••• = ( NBM -Vo I Vo) x 100

Donde:

V 0 = 2.5x ../2/../3 x420 =857.2kv

Con el pararrayos del catalogo Vo = 815 kv

MPmaniob•a = 1050 - 815 / 815 X 100 = 28.8%

75

sin el pararrayos: Vo - 857.2 kV

MPman;ob,a = 1050 - 857.2 / 857.2 X 100 = 22.50%

De lo cual se deduce que el margen de protección de un pararrayos lo fija la

sobretensión por maniobra y no por descarga atmosférica.

2. Encontrar la tensión que aparece en ambos lados de un pararrayos,

considerando que incide una onda con un frente de 1,000 kV 1J.s. El pararrayos

tiene una denominación de 240 kV y de acuerdo con la tabla tiene una tensión

máxima de flameo, cuyo valor de pico es de 600 kV, con onda de 1.2x50µs.

Como solución. indica que para proteger un transformador. con un NBI interior de

900 kV, y para estar dentro de un margen de protección adecuado, siempre y

cuando consideremos que la tensión máxima admisible por el transformador, no

exceda de 800 kV. los pararrayos deben instalarse a menos de 30 metros del

mismo.

Ejemplo:

Determinar la separación máxima entre un transformador y el juego de pararrayos

como se muestra en la fig 5. 1.2a considerando que la tensión máxima a la que

puede someterse un transformador de 400 kv es de 800 kv , si los pararrayos

operan con una onda de 1.2 x 50 µs y un valor de pico de 750 kv y la onda

incidente avanza con un frente de 1,000 kv I µs

solución.

DISTANCIA MAXIMA DEL PARARRAYOS

Flg. 5.1.2a

D = 300 (800 - 750) I 2 x 1,000 = 7.5 metros

76

Por norma se considera que la distancia D del pararrayos al objeto por proteger

ya tiene incluido un margen de protección de 20% . En la realidad las distancias

de los pararrayos no deben exceder de unos 15 metros del equipo por proteger.

5.2. Aplicaciones de los pararrayos


77

5.2.1.REVISIÓN DE LA INSTALACIÓN.

El mantenimiento de cualquier sistema de protección contra el rayo es

indispensable. Con el simple paso del tiempo. corrosión, golpes mecánicos,

inclemencias atmosféricas, impactos de rayo, etc., algunos componentes del

sistema de protección contra el rayo pueden perder su eficacia.

La revisión consiste en verificar que:

Los componentes del sistema cumplen la normativa y reglamentos vigentes.

Las ampliaciones o modificaciones producidas en la estructura quedan

protegidas por el sistema de protección.

Los conductores tengan buena continuidad eléctrica.

TESIS CQ~T FALLA DE ORIGEN

78

Estén en buen estado las fijaciones de los diferentes componentes y

protecciones mecánicas.

La corrosión no haya afectado a ningún componente del sistema.

Se respetan las distancias de seguridad.

Estén en buen estado las uniones equipotenciales y sean suficientes.

La resistencia de la toma de tierra tenga valor inferior a 1 O .

Por último, se elaborará un informe detallado que recogerá las constataciones

e indique. cuando fuera necesario, las medidas correctivas a tomar.

Estas medidas deberán realizarse con el menor retraso para mantener la eficacia

óptima del sistema.

TESIS CON FALLA DE -u1ilGEN

79

Instalación del sistema integral de protección contra el rayo. A modo de

orientación, se indican unas normas básicas de instalación:

a) El pararrayos estará al menos dos metros por encima de cualquier otro

elemento dentro de su radio de protección.

b) El conductor de bajada se instalará de forma que su recorrido sea lo más

directo posible, evitando cualquier acodamiento brusco o remonte.

c) Los conductores deben estar protegidos mediante un tubo de protección

hasta una altura superior a 2m a partir del suelo.

d) Se debe realizar la interconexión con el circuito de tierra en el fondo de la

excavación, directamente al pie de cada bajante mediante un dispositivo

que permita la desconexión y que esté emplazado en un registro de

inspección que lleve el simbolo de tierra.

e) Se recomienda la utilización de un preparado mejorado de la conductividad

en terrenos de resistividad alta.

f) La resistencia de la toma de tierra medida por medios convencionales debe

ser inferior a 1 O.

g) Las tomas de tierra deberán estar orientadas hacia el exterior del edificio.

TESIS CON FALLA DE ORIGEN _._ -

80

h) Todas las tomas de tierra deberán estar unidas entre si y a la toma de tierra

general del edificio.

i) Los elementos constitutivos de las tomas de tierra de los pararrayos

deberán distar al menos 2m de toda canalización metálica o eléctrica

enterrada.

5.4.NOVEDADES

El nuevo descargador 3EK7 para redes de distribución de energia eléctrica , del

tipo 3EK7 de Siemens ofrece una protección ejemplar a los equipos de las redes

eléctricas de hasta 52 kV contra sobre tensiones, corriente nominal de descarga

de 10 kA y capacidad máxima de absorción de energia de 4,5 kJ/kV. Su gran

innovación es la goma de silicona empleada. que garantiza una resistencia

extrema -aún bajo las condiciones más exigentes. como en climas de los más

duros y en el severo ambiente industrial e impide la contaminación y la formación

de peiiculas de agua. Con ello se reducen al máximo las corrientes superficiales

inducidas por depósitos conductores de suciedad. Gracias a su caracterlstica de

repeler el agua, evita el desarrollo de capas conductoras y cerradas en su

superficie, por lo que ni la fuerte neblina salina, tipico de las zonas costeras, afecta

a sus propiedades dieléctricas. Asi, se evita la aparición de corrientes superficiales

y se minimizan las descargas en la superficie del pararrayos.

La prolongada vida útil de estos pararrayos está avalada por el uso de materiales

de la máxima calidad y sistemas de fabricación de última generación, porque la

resistencia mecánica del recubrimiento de goma de siiicona protege el 3EK7

durante el transporte y la operación, en el montaje, frente al viento y de las

inclemencias meteorológicas.

81

La ganancia de todos estos cuidados se traducen en la minimización de los

tiempos de parada por falla durante la operación de la red. A diferencia de lo que

ocurre con los pararrayos convencionales (con carcasa calada a presión o por

contracción térmica), en el 3EK7 su carcasa de goma de silicona inyectada

directamente sobre las resistencias de óxido metálico (MO) veda todo tipo de

peligro de formación de huecos en lo que pudiere penetrar la humedad, una de las

causas de falla más frecuentes en pararrayos de media tensión. Además las

varillas de plástico reforzado con fibra de vidrio que delimitan y sujetan las

resistencias de óxido metálico logran una gran resistencia mecánica que impide

presiones internas en caso de sobrecarga, y las consecuentes roturas y/o

expulsión de partes.

Además, en comparación con otros polímeros, la goma de silicona HTV utilizada

en la carcasa es difícilmente inflamable y se utiliza con éxito desde hace más de

20 años, inclusive en redes de muy alta tensión. Su montaje de máxima simpleza,

su comportamiento seguro en caso de sobrecarga, su alta resistencia a la

radiación UV, como a las corrientes de fuga, a la erosión y al fuego (auto

extinguible, de acuerdo a IEC 707 -3mm- F VO) y su flexibilidad hasta -45° C, son

algunas de las ventajas.

El 3EK7 se destaca por ser muy liviano (50 % más que los pararrayos de

porcelana equivalentes), robusto y duradero y por ofrecer una extraordinaria

relación costo-beneficio. Su capacidad de soportar todo tipo de agentes

ambientales y su comportamiento en caso de falla a tierra, como asl también su

resistencia a cortocircuitos, lo hacen sobresalir. En la versión estándar, lleva

montadas sobre un perno tuercas M12, arandelas y, por el lado de alta tensión,

una brida. Esto brinda una gran versatilidad a la hora de montar el pararrayos de

diversas maneras sobre dispositivos ya existentes sin necesitar más material.

82

Como muestra de su calidad, vale la pena citar que el 3EK7 ha superado con

holgura todos los ensayos habituales conformes a las actuales especificaciones

según IEC 60099-1, 60099-4 y ANSI /IEEE C62.11.

5.4.1FUNCIONAMIENTO:

La formación de un rayo va precedida de una elevación del campo eléctrico

ambiental por encima de los 10 kV/m. Esta energla natural es acumulada

directamente por el dispositivo de cebado del pararrayos electropulsante dat

controler que de esta forma queda en situación de precontrol.

A medida que se acerca la descarga, se produce un intenso y brusco incremento

del campo eléctrico. Originándose una zona de riesgo de impacto. Si esta zona de

riesgo tiene lugar en la zona de protección del pararrayos, la brusca variación del

campo eléctrico acciona simultáneamente el sistema de control del dat- controler

que, en sincronla con la aproximación del rayo, proporciona una vla de descarga a

tierra controlada y segura.

TESIS CON FALLA DE v.cüGEN

83

Campo eléctrico ambiental como única fuente de alimentación. Totalmente

autónomo y libre de mantenimiento. Su funcionamiento puede ser comprobado en

cualquier momento.

Pararrayos electropulsante DAT-CONTROLER caracterizado por:

a) Cumple Normas UNE 21 186* y NF C 17-102.

b) Tiempos de avance en el cebado especificas de cada modelo.

c) Radios de protección certificados para cada modelo y nivel.

d) Funcionamiento efectivo en condiciones de lluvia. Aislamiento superior al

95%.

e) Funcionamiento efectivo tras soportar corrientes de rayo repetitivas.

5.5.NIVELES DE PROTECCIÓN

Para el diseño de toda instalación de protección contra el rayo. en primer lugar se

debe realizar un estudio previo que determinará el nivel de protección. el

emplazamiento del pdc. el trazado de la bajante y la ubicación y tipo de la toma de

tierra. Una de las partes fundamentales del estudio previo es el cálculo del riesgo

de impacto directo. Cuanto más alto sea el riesgo. mayores serán las medidas de

protección requeridas (para un riesgo muy alto NIVEL DE PROTECCIÓN l. para

un riesgo medio NIVEL DE PROTECCION 11 y NIVEL DE PROTECCIÓN 111, para

un riesgo normal).

Para la máxima seguridad, la norma UNE 21 186. recomiendan el NIVEL DE

PROTECCIÓN l.

84

Protección en lineas de suministro electrico.

5.5.1.TABLAS DE ALGUNOS APARATOS DE PROTECCIÓN

~~ '

~~··<.

-'

~

PROTECCIÓN PARA MAQUINAS

AT- 1503 RED 380- G

protección gruesa de lineas trif•slcas. lp = 1 OOkA. Tensión residual < 2kV

TESIS CON ~ALLA rns ÚniGEN

AT-1401 RED SUB

protección para cuadros secundarios lp • 40kA. Tensión residual: 650V

AT-.1501 red 220-G

protección gruesa de lineas monof,iaJcas. lp • 1 OOkA. Tensión residual < 2kV

GUARDIAN controlador de tensión umbral.

Tensiones m.illx./min. y tiempo

de respuesta regulables.

AT-1001 Monot.tsico

AT-1003 Trit.tsico

AT-1103 red 380

protección de lineas trif.talcas. lp• 20kA. Tensión residual: 390V

85

, '

.

Protección en lineas telefónicas.

AT-4102 FONO PLUS

protección de una linea telefónica. lp • 20kA Tensión residual: 100V

Protección en lineas de datos.

AT-5115 DC15

tensión nominal: 15V. lp • 20kA. Tensión residual: 30V

86

87

5.6.CONCLUSIONES:

Este trabajo fue realizado en base a los sistemas de protección , en este caso

los pararrayos, y hacemos mención desde los pioneros hasta los mas actuales,

con el objetivo de poder conocer desde el funcionamiento hasta su operación •

dando como resultado él porque se utilizan.

Uno de los objetivos primordiales es poder hacer el análisis de los distintos

factores que pueden ocasionar sobrevoltaje , y es una de las causas mas reales.

Cualquier lugar ( industria, edificios etc.) no esta exento de que sufra un

sobrevoltaje, y mas en lugares en donde se utilice gran cantidad de equipos,

maquinaria ( por

sobrevoltaje.

mencionar algunos) se tiene que proteger contra estos

Por dichas razones analizamos la generación de los sobrevoltaje, y

contrarrestamos, dichos efectos en este caso con los pararrayos, tomando en

cuenta los equipos que constituyen una industria, asi como el material mas

idóneo , como puede ser el aislamiento de el equipo a proteger .

Ejemplificamos la ubicación de los pararrayos con problemas prácticos , es una

forma muy interesante de saber el área de protección asi como la tolerancia que

pude existir en el equipo de protección.

Algo muy importante que cabe recalcar, debido a que fue un "trabajo de seminario"

no se profundizo en algunos temas por lo que hay información que se toco

superficialmente , y es debido que el análisis de sobrevoltaje es muy extenso por

lo que se tomo lo primordial.

BIBLIOGRAFIA

Fundamentos de Instalaciones Eléctricas de Mediana v Alta Tensión

2da edición

Enrlquez Harper

Técnicas de alta tensión

2da edición

Enriquez Harper

Diseño de Subestaciones Eléctricas

2daedición

José Raúl/ Martín

E/ectrical pawer system

B.M. Weedy, V.J. Cory

Jonh Wiley and sons

4th edition

Electrical Power Technoloqv

David W. Tyler

General NVQ.

http//siemens.com.mx

88

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